Fachbericht zu bisher bekannten Auswirkungen geothermischer

Transcrição

Informationen aus den Bund/Länderarbeitsgruppen
der Staatlichen Geologischen Dienste
PERSONENKREIS GEOTHERMIE
DER AD-HOC-ARBEITSGRUPPE GEOLOGIE
FACHBERICHT ZU BISHER BEKANNTEN AUSWIRKUNGEN
GEOTHERMISCHER VORHABEN IN DEN BUNDESLÄNDERN
erarbeitet für den Bund/Länder-Ausschuss Bodenforschung (BLA-GEO)
durch die Staatlichen Geologischen Dienste der Deutschen Bundesländer (SGD)
und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
sowie des Leibniz-Instituts für Angewandte Geophysik (LIAG)
mit der Mitwirkung der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft
Klima, Energie, Mobilität und Nachhaltigkeit (BLAG KliNa),
und der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA)
WIESBADEN, FEBRUAR 2011
Fachbericht zu bisher bekannten Auswirkungen geothermischer Vorhaben in den Bundesländern
Inhalt
1
Vorwort .............................................................................................................................4
2
Auftrag ..............................................................................................................................4
3
Organisation des Personenkreises Geothermie...............................................................5
4
Definitionen ......................................................................................................................7
5
Oberflächennahe Geothermie ..........................................................................................8
5.1
Gefährdungspotenziale.............................................................................................8
5.1.1
Hydrogeologische Gefährdungspotenziale .......................................................9
5.1.2
Geologische Gefährdungspotenziale..............................................................10
5.1.3
Geotechnische Gefährdungspotenziale..........................................................12
5.1.4
Technische / anthropogene Gefährdungspotenziale ......................................13
5.2
Auswirkungen auf das Grundwasser ......................................................................14
5.2.1
Geohydraulische Auswirkungen .....................................................................14
5.2.1.1 Absenkung des Grundwassers ...................................................................14
5.2.1.2 Anhebung des Grundwasserspiegels .........................................................15
5.2.1.3 Artesischer Austritt von Grundwasser.........................................................16
5.2.2
Hydrochemische Auswirkungen .....................................................................18
5.2.2.1 Mischung und Ausfällungen in Wässern.....................................................18
5.2.2.2 Lösung/Mobilisierung ..................................................................................19
5.2.2.3 Stoffeintrag (z.B. bei/von Schadenfällen)....................................................20
5.2.3
Thermische Auswirkungen .............................................................................21
5.2.3.1 Erwärmung..................................................................................................22
5.2.3.2 Abkühlung ...................................................................................................22
5.2.4
Biologische Auswirkungen..............................................................................23
5.3
Auswirkungen auf den Untergrund .........................................................................24
5.3.1
Hebungen .......................................................................................................24
5.3.1.1 Hebungen infolge Quellvorgängen, Mineralbildung ....................................24
5.3.1.2 Hebung infolge Vereisung...........................................................................26
5.3.2
Suffosion, Verbruch, Einbruch, Setzung .........................................................27
5.4
Auswirkungen auf die Umwelt ................................................................................31
5.4.1
Verschmutzungen von Oberflächengewässern ..............................................31
5.4.2
Auswirkungen auf Grundstücke und infrastrukturelle Einrichtungen ..............32
5.4.3
Ausgasung......................................................................................................34
5.5
Auswirkung auf Anlagentechnik .............................................................................35
5.5.1
Gasdiffusion in PE-Sonde...............................................................................35
5.5.2
Verockerung bei Schluckbrunnen ...................................................................36
5.6
Häufigkeit der Auswirkungen ..................................................................................36
6
Auswirkungen tiefengeothermischer Anlagen ................................................................37
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
Risiken durch unerwartete geologische Verhältnisse .............................................38
Fündigkeitsrisiko.....................................................................................................38
Bohrrisiko................................................................................................................39
Betriebsrisiko (Dauerhaftigkeit)...............................................................................39
Betriebstechnisches Risiko.....................................................................................40
Risiken für die Umwelt ............................................................................................40
PK Geothermie, Februar 2011
2
6.7
7
Seismisches Risiko.................................................................................................40
Zusammenfassung und Fazit .........................................................................................43
7.1
7.2
7.3
7.4
Erkenntnisse aus der Aufgabenstellung .................................................................43
Bislang bekannte Auswirkungen.............................................................................43
Nutzen von Synergien ............................................................................................44
Die Rolle der SGD ..................................................................................................45
8
Literatur ..........................................................................................................................46
9
Abbildungsverzeichnis....................................................................................................48
10
Anlagenverzeichnis ....................................................................................................48
3
1
Vorwort
Der Bund/Länder-Ausschuss Bodenforschung (BLA-GEO) ist ein von der Wirtschaftsministerkonferenz eingesetztes Beratergremium. Ihm gehören Vertreter derjenigen Ministerien von
Bund und Ländern an, denen die Staatlichen Geologischen Dienste (SGD) unterstehen. Er
tagt regelmäßig in halbjährlichen Abständen. Der BLA-GEO behandelt geowissenschaftliche
Fragestellungen, die länderübergreifender Natur sind oder den Bund und die Länder in gleicher Weise berühren. Er berät das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) und
arbeitet den Umweltminister- und den Wirtschaftsministerkonferenzen sowie den entsprechenden Amtschefkonferenzen (Staatssekretärkonferenzen) zu. Der BLA-GEO beauftragt
Ad-hoc-Arbeitsgemeinschaften in den Bereichen Geologie, Boden, Hydrogeologie, Rohstoffe
und Bodeninformationssysteme.
1.1
Sachverhalt und Problematik
Durch die in der Vergangenheit bekannt gewordenen Probleme und Schäden im Zusammenhang mit der Erschließung geothermischer Ressourcen sind Zweifel an der sicheren
Nutzung der oberflächennahen und tiefen Geothermie aufgekommen. Ein Vertrauen in eine
heute wie zukünftig sichere Erdwärmenutzung wird daher nur erreicht werden, wenn die
Probleme, Auswirkungen und Schäden sowie die hierfür verantwortlichen Ursachen/Gefährdungspotenziale bekannt sind und Lösungswege aufgezeigt werden.
Die Staatlichen Geologischen Dienste sind Partner beim weiteren Ausbau der Geothermie,
sie leisten einen wichtigen Beitrag zur sicheren Erschließung des erneuerbaren Energiepotenzials, zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung. Damit diese Absicht auch weiterhin
offensiv vertreten werden kann, wurde aus den Landesverwaltungen heraus angeregt, auch
diesbezügliche Erfahrungen aus allen Bundesländern aufzugreifen, um Anforderungen und
Maßgaben an das künftige Handeln zur Schadensvermeidung noch besser ausrichten zu
können.
Jede Bohrung, jede Baugrube, jeder Tunnel ist ein Eingriff in den geologischen Körper. In
der konkreten Beauftragung aber sollen geothermische Anlagen und ihre bislang bekannten
Auswirkungen beschrieben werden und nicht alle theoretisch erdenklichen oder möglichen
Gefahrenmomente.
Größere Havarien sind bei der Errichtung der Anlagen äußerst selten. Trotzdem ist den
Geologischen Diensten im Laufe der letzten Jahre eine Anzahl von Bohrungshavarien bekannt geworden. Ihre Bearbeitung fällt meistens in die Zuständigkeit der Wasserbehörden.
Die Gesamtzahl kleinerer Havarien ist jedoch nicht bekannt. Möglicherweise werden weitere
Havariefälle erst zu einem späteren Zeitpunkt einem konkreten Bohrpunkt oder einer Anlage
zugeordnet oder überhaupt erkannt.
Je mehr Bohrungen abgeteuft werden, desto höher sind das Gefährdungspotenzial und die
Anzahl möglicher realer Unfälle. Das ist kein Problem der Erdwärmenutzung, sondern trifft
auf jede Bohrtätigkeit, wie zum Beispiel auch auf die Rohstoffwirtschaft und die Baugrunduntersuchungen zu. Mit jeder zusätzlichen Bohrung vergrößert sich das Risiko, eine unerwartete Auswirkung oder Havarie zu erleiden.
2
Auftrag
Der BLA-GEO fasste im Herbst 2009 den Beschluss, einen Personenkreis Geothermie in der
Zuordnung der Ad-hoc-AG Geologie einzusetzen, der bis September 2010 einen Fachbericht
zu den bislang bekannten Auswirkungen geothermischer Vorhaben vorlegen soll.
4
Das Vorsitzland des BLA-GEO, zum Zeitraum der Berichtserstellung das Bundesland Sachsen, wurde gebeten, den Beschluss ressortübergreifend zu kommunizieren und den Vorsitzenden der Bund/Länderarbeitsgemeinschaft „Klima, Energie, Mobilität - Nachhaltigkeit"
(BLAG KliNa) und der Bund/Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) zu übermitteln und
eine Mitwirkung am Fachbericht anzubieten.
Im Nachgang zu den Beschlüssen des Bund-Länderausschusses Bodenforschung (BLAGEO) wurde der Ad-hoc-AG Geologie der Auftrag erteilt, bei den Staatlichen Geologischen
Diensten (SGD) die Erkenntnisse über die bekannten Auswirkungen geothermischer Vorhaben in den Bundesländern zusammenzutragen. Die bundesweite Umfrage hatte ferner das
Ziel, zum einen die bisherigen Erkenntnisse abzufragen, gleichzeitig sollten Fachleute für die
Mitarbeit in einem Personenkreis Geothermie gewonnen werden.
3
Organisation des Personenkreises Geothermie
Nach der Erteilung des Auftrages hat die Ad-hoc-AG Geologie die Länder angeschrieben
und einen Fragebogen versandt. Ferner wurden die Direktoren der SGD gebeten, Fachleute
in den zu konstituierenden Personenkreis (PK) Geothermie zu entsenden. Die Rückmeldungen gingen aus allen SGD der Bundesrepublik ein. Der PK Geothermie konnte mit Fachleuten aus allen Bundesländern besetzt werden.
Der PK Geothermie der Ad-hoc-AG Geologie wurde aufgefordert zur Frühjahrssitzung im
Februar 2010 einen Rahmenentwurf eines Fachberichtes zu bisher bekannten Auswirkungen
geothermischer Vorhaben auf der Basis der Rückläufe des Fragebogens einzureichen. Der
Beschluss zur Erstellung eines Fachberichtes wurde den Vorsitzenden der BLAG KliNa und
der LAWA übermittelt und eine Mitwirkung am Fachbericht angeboten. Jeweils zwei Mitglieder aus den Bund/Länderarbeitsgemeinschaften waren benannt worden, um an den Beratungen teilzunehmen.
Der aufgestellte Fragenkatalog zu bislang bekannten Auswirkungen und Gefährdungspotenzialen fußt auf Vorarbeiten vorangegangener länderübergreifender Personenkreise für die
oberflächennahe und tiefe Geothermie sowie auf Erkenntnissen aus den Staatlichen Geologischen Diensten, die bei der fachlichen Beratungen zur Erdwärmenutzung gewonnen wurden. Weiterhin basiert der Fragenkatalog auf den Rücklauf von Informationen aus
Normenausschüssen, von Bauherren, Planern und Bohrunternehmen, auf Erkenntnissen
behördenübergreifender Fachgremien und Genehmigungsbehörden (Umweltämter, Wasserund Bergbehörden), sowie auf Meldungen aus den Medien. Alle SGD haben sich an der
Beantwortung der Abfrage intensiv beteiligt, der Rücklauf betrug 100%. Der Fragenkatalog
umfasste mehr als 40 Fachfragen zur Erdwärmenutzung, die sich auf die Geologie, Hydrogeologie, Geotechnik und auf die SGD-Beteiligungen im Rahmen der Genehmigungsverfahren bezogen.
In der konstituierenden Sitzung in Frankfurt am Main wurden die Ergebnisse der Umfrage
diskutiert und ein Ablaufplan der zu erledigenden Aufgaben abgestimmt. In den darauf folgenden Wochen und Monaten wurden die Arbeitsergebnisse gegliedert, nach Sachebenen
strukturiert und im E-Mail-Umlauf-Verfahren inhaltlich verfeinert. Der Projektleitung des Personenkreises war es ein dringendes Anliegen, die Aufgabe praxisorientiert zu konkretisieren
und im Detail zu präzisieren. Besonderer Wert wurde auf die gemeinsam erarbeitete Feststellung gelegt, dass Eingriffe in den Untergrund immer „Auswirkungen“ besitzen.
5
Dieser Bericht wird die Ursachen von bekannten Auswirkungen beleuchten. In dem engen
zeitlichen Rahmen konnten nur der Status erhoben und die kausalen Zusammenhänge
herausgestellt werden.
Besetzung des länderübergreifenden Personenkreises Geothermie (sortiert n. BL):
Kürzel
Klartext
RPF/LGRB Regierungspräsidium Freiburg/Landesamt für
Geologie, Rohstoffe und Bergbau
UVM
Ministerium für Umwelt, Naturschutz und
Verkehr
LfU
Landesamt für Umwelt
SENGUV
Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt
und Verbraucherschutz
LBGR
Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe
GDfB
Geologischer Dienst für Bremen
SUBVE
Senator für Umwelt, Bau, Verkehr und Europa
BSU
Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt
HLUG
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
LUNG
Landesamt für Umwelt, Naturschutz und
Geologie
LBEG
Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie
GD NRW
Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen
LGB
Landesamt für Geologie und Bergbau
MUFV
Ministerium für Umwelt, Forsten und Verbraucherschutz
LUA
Landesamt für Umwelt- und Arbeitsschutz
LfULG
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und
Geologie
LfULG
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und
Geologie
LAGB
Landesamt für Geologie und Bergwesen
LLUR
Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und
ländliche Räume
TLUG
Thüringer Landesanstalt für Umwelt und
Geologie
BGR
Bundesanstalt für Geowissenschaften und
Rohstoffe
LIAG
Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik
Bundesland
Baden-Württemberg
Baden-Württemberg
(BLAG KliNa)
Bayern
Berlin
Brandenburg
Bremen
Bremen (LAWA)
Hamburg
Hessen (Sprecher des PK)
Mecklenburg-Vorpommern
Niedersachsen
Nordrhein-Westfalen
Rheinland-Pfalz
Rheinland-Pfalz
(BLAG KliNa)
Saarland
Sachsen
Sachsen (LAWA)
Sachsen-Anhalt
Schleswig-Holstein
Thüringen
Bund
Bund/Länder
An der Studie haben mitgewirkt: Dr. Christian Bönnemann, Dr. Hans-Gerhard Fritsche, Dr.
Thomas Fritzer, Tatjana Häntze, Ulrike Hörmann, Karina Hofmann, Holger Jensen, Lothar
Moosmann, Dr. Karsten Obst, Dr. Björn Panteleit, Michael Pawlitzky, Annett Peters, Dr. Ivo
Rappsilber, Lina Reinheimer, Dr. Sven Rumohr (Sprecher des PK), Ingo Schäfer,
Dr. Rüdiger Schulz, Marcellus Schulze, Klaus Steuerwald, Roman Storz, Claudia Thomsen,
Dr. Christian Trapp, Dr. Ulrich Wegler, Bruno Werle, Wolfgang Wirth.
Die Bund/Länderarbeitsgruppen BLAG KliNa und LAWA wurden vertreten durch: Werner
Robrecht, Dirk Schröder, Karin Kuhn, Elzbieta Maahs.
6
4
Definitionen
Zur einheitlichen Begriffsbestimmung wurden durch den Personenkreis für diesen Fachbericht die nachfolgenden Begriffe definiert.
Oberflächennahe und tiefe Geothermie
In Abhängigkeit von der Erschließungstiefe der Erdwärme unterscheidet man zwischen
oberflächennaher und tiefer Geothermie. Bei der oberflächennahen Geothermie wird die
Wärmeenergie des Untergrundes bis ca. 400 m, meist jedoch nur bis 150 m z.B. über Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbohrungen oder Energiepfähle genutzt.
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen die geothermische Energie aus Tiefen
über 400 m über Tiefbohrungen erschlossen wird und deren Energie direkt (d. h. ohne Niveauanhebung) genutzt werden kann. Die Übergänge zur Nutzung der tiefen Geothermie
sind fließend.
Gefährdungspotenzial
Eine Gefährdung stellt eine Situation oder ein Sachverhalt dar, der zu einer negativen Auswirkung führen kann. Diese negative Auswirkung einer Gefährdung bedeutet die Möglichkeit,
dass Schutzgüter wie z. B. Wasser, Menschen, biologische Vielfalt etc. räumlich und/oder
zeitlich mit einer Gefahrenquelle zusammentreffen kann und negative Auswirkungen bewirkt.
Das Gefährdungspotenzial stellt ein Maß für den möglichen Eintritt einer Gefahr dar.
Altlasten, Altablagerung und Altstandort
Unter Altlasten versteht das BBodSchG Ablagerungen bzw. Altstandorte, durch die schädliche Bodenveränderungen oder sonstige Gefahren für den Einzelnen oder die Allgemeinheit
hervorgerufen werden.
Altablagerungen sind stillgelegte Abfallbeseitigungsanlagen sowie sonstige Grundstücke, auf
denen Abfälle behandelt, gelagert oder abgelagert worden sind. Altstandorte sind Grundstücke stillgelegter Anlagen und sonstige Grundstücke, auf denen mit umweltgefährdenden
Stoffen umgegangen worden ist, ausgenommen Anlagen, deren Stillegung einer Genehmigung nach dem Atomgesetz bedarf.
Auswirkungen
Jedes geothermische Vorhaben hat Auswirkungen, wobei zu unterscheiden ist zwischen
denen, die als Folge des Vorhabens erwartet und akzeptiert werden und solchen die unerwartet eintreten.
Eine unerwartete Auswirkung beruht in der Regel auf der Abweichung eines erreichten Zustandes vom angestrebten Zustand, welcher z.B. nach dem Stand von Wissenschaft und
Technik oder nach sonstigen Vereinbarungen festgelegt ist.
Eine unerwartete Auswirkung kann einen temporären oder dauerhaften Schaden zur Folge
haben.
Im vorliegenden Fachbericht werden vorrangig die unerwarteten Auswirkungen betrachtet.
Erwartete und akzeptierte Folgen sind eine geringe thermische Beeinflussung des Untergrundes, die sich weitestgehend auf den Nahbereich geothermischer Anlagen beschränkt
und zu keiner Beeinflussung anderer Nutzer des Untergrunds oder des Grundwassers führt.
7
Bei offenen geothermischen Anlagen (Brunnendublettenanlagen) wird zudem eine Auswirkung durch die von Entnahme und Einleitung beeinflusste Grundwasserströmung im näheren
Umfeld der Anlagen erwartet und akzeptiert.
5
Oberflächennahe Geothermie
Bei Anlagen der oberflächennahen Geothermie zu Heiz- und Kühlzwecken konnte in den
vergangenen Jahren ein stetiger Zuwachs aufgewiesen werden. Es sind drei grundsätzlich
verschiedene Nutzungsformen zu unterscheiden:
•
•
•
Erdwärmesondenanlagen mit einem Marktanteil von bundesweit ca. 80%,
Erdwärmekollektoranlagen mit einem Marktanteil von bundesweit ca. 10-15%
Brunnendublettenanlagen (Wasser / Wasser-Anlagen) mit einem Marktanteil von
ca. 5-10%.
In die nachfolgenden Betrachtungen sind aufgrund des hohen Anteils insbesondere Auswirkungen von Erdwärmesondenanlagen eingeflossen. Die Gesamtanlagenzahl in Deutschland
liegt bei geschätzten 70.000 Anlagen. Die Zahl beruht auf Abschätzungen der Bundesländer
zu den in den SGD und zuständigen Vollzugsbehörden angezeigten Anlagen.
Zunächst werden in Kapitel 5.1 die Gefährdungspotenziale erläutert. In den Kapiteln 5.2 bis
5.5 werden die bisher bekannten unerwarteten Auswirkungen geothermischer Vorhaben
beschrieben und deren Ursachen anhand der existierenden Gefährdungspotenziale erläutert.
Es ist voranzustellen, dass oftmals eine Kombination von mehreren Gefährdungspotenzialen
zu einer unerwarteten Auswirkung führen kann (siehe Anlage 2).
Mithilfe von Beispielen werden in den folgenden Kapiteln die bekannten Auswirkungen erläutert. Weiterhin werden mögliche Empfehlungen zur Vermeidung der beschriebenen Auswirkung aus den Erfahrungen der SGD gegeben.
5.1
Gefährdungspotenziale
Bei den Gefährdungspotenzialen in Verbindung mit dem Einbau und Betrieb von Erdwärmeanlagen werden verschiedene Bereiche unterschieden.
Zum einen gibt es Gefährdungspotenziale, die maßgeblich durch geologische und hydrogeologische Verhältnisse bedingt werden. Zu diesen standortbezogenen, nicht beeinflussbaren und risikobehafteten Untergrundverhältnissen gehören die Beispiele: Schichtkomplexe
mit stark wechselnden lithologischen Eigenschaften, GW-Stockwerksbau, Verkarstung,
geologische Störungszonen, natürliche Gasvorkommen und artesische Verhältnisse.
Zum anderen gibt es Gefährdungspotenziale geotechnischer und technischer / anthropogener Art, welche beispielsweise während der Planung, des Bohrvorgangs oder beim Einbau oder Bau von Erdwärmesonden oder -brunnen auftreten können. Diese können
Auswirkungen verursachen, die meist durch eine nicht an die Untergrundverhältnisse angepasste Technik oder Arbeitsweise bedingt sind. Gefährdungspotenziale dieser Art sind z. B.
der Betrieb nicht korrekt dimensionierter Erdwärmeanlagen, mangelhafte Verpresstechniken
oder falsch gewählte Bohrverfahren. Hierbei sind z. B. ungewollte Temperaturänderungen im
Untergrund und die Verbindung zweier Grundwasserleiter zu nennen.
Neben den geologisch/technischen Gefährdungspotenzialen können auch Fehleinschätzungen und/oder menschliches Versagen sowohl auf Seiten der Planer, ausführenden Bohrfirmen und des Anlagenbetreibers, aber auch auf Seiten der Genehmigungsbehörden
ursächlich für unerwartete Auswirkungen sein. Auf der bauausführenden Seite kann unzureichende Qualifikation oder nicht fachgerechte Bauausführung nach dem Stand der Technik
zu Gefährdungspotenzialen führen.
Die genannten Gefährdungspotenziale werden als einzelne Themen aufgezählt, eine Überschneidung der einzelnen Bereiche ist jedoch unumgänglich.
8
5.1.1
Hydrogeologische Gefährdungspotenziale
Beim Bau von geothermischen Anlagen sind die hydrogeologischen Verhältnisse bzw. Gefährdungspotenziale zu berücksichtigen, da sie direkte Auswirkungen, z. B. auf das Grundwasser und auf den Untergrund, haben können. Dabei kann zwischen hydraulischen und
hydrochemischen Ursachen differenziert werden.
Trennschichten zwischen Grundwasserstockwerken (Stockwerksbau) können zu vertikal
unterschiedlichen Druckpotenzialen führen (gespannte Grundwässer) (s. Abbildung 5-1).
Diese Druckpotenzialunterschiede zwischen Grundwasserleitern können die Ursache für
Komplikationen beim Bau von Erdwärmesonden sein. Bohrungen für Erdwärmesondenanlagen können zu hydraulischen Verbindungen vormals getrennter Grundwasserstockwerke
führen. Aufsteigende Grundwässer können die Bohrarbeiten bzw. die Bohrlochabdichtung/Bohrlochverpressung nach Einbau der Sonde beeinträchtigen. Liegt das Druckpotenzial
eines gespannten Grundwasserstockwerks über der Geländeoberfläche kommt es zu oberflächlichen (artesischen) Grundwasseraustritten (Artesik). Diese können bei nicht fachgerechten Bohrarbeiten dazu führen, dass erhebliche Grundwassermengen oberflächlich
austreten.
Abbildung 5-1: Gefährdungspotenzial Grundwasserstockwerksbau und Artesik (Quelle: LBEG).
Durch die hydraulische Verbindung von Grundwasserstockwerken kann es zur Vermischung
von hydrochemisch unterschiedlichen Grundwässern kommen. Dies kann nachhaltig die
Qualität des Grundwassers beeinträchtigen. Auch eine nach Einbau physikalisch und chemisch stabile dichte Hinterfüllung kann durch die hydrochemische Zusammensetzung des
Grundwassers gefährdet sein. Sie kann durch chemische Reaktionen, mit höher mineralisierten bzw. sulfathaltigen Wässern oder durch freie Kohlensäure, unwirksam werden.
Durch die Bohrung kann, neben der Mischung von unterschiedlichen Grundwässern, auch
die Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung verringert werden. Hierdurch ist auch ein
vertikaler Transport von unerwünschten Stoffen über mehrere Grundwasserstockwerke
möglich.
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5.1.2
Geologische Gefährdungspotenziale
Für den Bau und Betrieb einer geothermischen Anlage sind die geologischen Bedingungen
am Standort von großer Bedeutung. In vielen geologischen Einheiten ist die Installation einer
Anlage unproblematisch. Von einigen geologischen Einheiten bzw. Gesteinseinheiten geht
allerdings ein gewisses Gefährdungspotenzial aus.
Die wesentlichen Prozesse, die ein Gefährdungspotenzial beinhalten können sind:
• Lösungserscheinungen / Wegsamkeiten durch Störungs- und Kluftsysteme, z.B. bei
Karbonat-, Sulfat- oder Salzgesteinen
• Fließbewegungen z.B. Fließsande
• Mineralumbildungen / Quellungen (Anhydrit/Gips, Tonminerale)
• Ausgasungen
Diese werden nachfolgend kurz erläutert.
Lösungserscheinungen/ Wegsamkeiten durch Störungs- und Kluftsysteme
Wenn Karbonat- und Sulfatgesteine in Kontakt mit der Atmosphäre und Wasser treten,
beginnt der Prozess der Karstverwitterung. Die damit verbundenen Lösungs-, und Umkristallisationserscheinungen führen entlang von Trennflächen zur Bildung von Dolinen, Ponoren,
Höhlen und Hohlräumen. Häufig werden verschiedene Karstsysteme auf unterschiedlichen
Niveaus ausgebildet.
Während des Bohrvorgangs besteht die Möglichkeit, dass in verkarsteten Gesteinen Hohlräume angefahren werden und das Bohrgestänge und / oder die Bohrspülung verloren geht.
Darauf anschließend stellt die Verpressung der Hohlräume ein Problem dar. Meistens sind
große Mengen an Verpressmaterial zur Abdichtung des Hohlraums notwendig oder der
Hohlraum kann nicht abgedichtet werden. Im Fall fehlender Abdichtung besteht kein thermischer Kontakt zwischen Gebirge und Wärmetauscher.
Salzgesteine unterscheiden sich zunächst durch ihre große Wasserlöslichkeit, hohe Plastizität und ihre relativ geringe Dichte von übrigen Sedimenten. Aufgrund der großen Wasserlöslichkeit geht von Salzgesteinen ein hohes Gefährdungspotenzial aus. Das Eindringen von
Wasser in ein Salzvorkommen ist mit größten Veränderungen bis hin zu ihrem völligen Verschwinden verbunden. Die durch Wasserzufluss (auch während eines Bohrvorgangs) ausgelösten Prozesse werden als Ablaugung oder Subrosion bezeichnet. Die unterirdische
Ablaugung und Abfuhr des Salzes führt zu einem Massendefizit und der Entstehung von
Hohlräumen. Bei geringer Überdeckung und wenig kompetenten Gesteinen in der Überlagerung brechen diese Hohlräume ein und an der Erdoberfläche entstehen kleinräumige Subrosionssenken. Der Bau von Erdwärmesonden in Salzgesteinseinheiten ist aufgrund von
Wasserzutritten (Spülung, Grundwasser aus anderen Stockwerken) im Verlauf der Bohrung
problematisch.
Störungs-/ Kluftzonen sind relativ lange, schmale Bereiche im Gestein, in denen der Gesteinsverband infolge tektonischer Vorgänge häufig mechanisch zerlegt (zerrüttet) ist und
eine Vielzahl unterschiedlich geöffneter Trennflächen auftreten. In solchen „Auflockerungszonen“ sind große Gebirgsdurchlässigkeiten möglich. Aufgrund von Ausfällungen zirkulierender mineralisierter Wässer sind die vorhandenen Wegsamkeiten manchmal sekundär
partiell oder auch völlig geschlossen.
Störungs-/Kluftzonen können ein Gefährdungspotenzial aufweisen, wenn beim Anbohren
dieser Zonen unter Druck stehende Kluftwässer angetroffen werden. Dies kann zum Aufstieg
salinarer Wässer aus tieferen Bereichen in oberflächennahe Grundwasserleiter führen, welche dadurch kontaminiert und für eine Trinkwassergewinnung unbrauchbar werden. Im Falle
des Antreffens von „trockenen“ Klüften oder Rissen kann es andererseits zu plötzlichen
Spülungsverlusten oder sogar zur raschen Absenkung des Grundwassers in einem darüber
befindlichen Grundwasserleiter führen (hydraulischer Kurzschluss). In Verbindung mit einer
Auswaschung des Feinkornanteils können dadurch Setzungen auftreten, die Erdfälle oder
Gebäudeschäden verursachen.
10
Fließbewegung, z. B. Fließsande
Mit dem Begriff „Fließsande“ werden gut sortierte Feinsande oder feinsandige Schluffe
angesprochen, die bei Wasserübersättigung und unter bestimmten Strömungsbedingungen
einen Festigkeitsverlust erleiden und ein Fließverhalten aufzeigen. Die als „Fließsande“
bezeichneten lithologischen Einheiten umfassen überwiegend quartäre fluviatile Ablagerungen. Bautechnische Probleme mit „Fließsanden“ sind aus dem Berg- und Kanalbau und der
Gründung von Gebäuden bekannt. Für das Ausheben von Baugruben im Verbreitungsgebiet
von „Fließsanden“ ist ein entsprechender Verbau zur Abstützung der Baugrubenböschungen
und eine Wasserhaltung notwendig. Beim Niederbringen von unverrohrten Bohrungen kann
Material aus einem durchteuften Fließsandvorkommen in das Bohrloch verfrachtet werden.
Das entstehende Massendefizit wird durch Nachbrechen des überlagernden Gesteins ausgeglichen und kann durch einen Absenktrichter an der Erdoberfläche sichtbar werden.
Mineralumbildungen-Quellungen (Anhydrit/Gips, Tonminerale)
Durch den Zutritt von Wasser kann es zu Mineralumbildungen und -neubildungen sowie
zu Quellungen kommen. Anhydrit (CaSO4) kann durch Wasserzutritt gelöst und unter
Volumenzunahme als Gips (Ca[SO4] * 2H2O) rekristallisieren.
Künstliche Wasserzutritte zu Anhydritvorkommen können z.B. durch einen hydraulischen
Kurzschluss bei Bohrarbeiten und/oder durch Ringraumumläufigkeiten erfolgen.
Mit der Umwandlung des Anhydrits zu Gips erfolgt eine Volumenzunahme, die eine Hebung
der Geländeoberfläche zur Folge haben kann. Der Umwandlungsprozess zeigt sich als
exotherme Reaktion mit erhöhten Temperaturen im Umfeld (Abgabe von Reaktionswärme).
Voraussetzungen für eine Hebung der Geländeoberfläche sind:
•
•
•
•
•
auflastender Gebirgsdruck ist geringer als der Quelldruck,
Drucksteigerung durch Quellung bestimmter Tonminerale bzw. Kristallisation von
Kalziumsulfaten,
keine überlagernden Schichten, die Volumenzuwachs aufnehmen könnten (Fehlen
bereits stark verkarsteter Bereiche),
Schaffung neuer Wegsamkeiten und ggf. Veränderung des hydraulischen Regimes
durch Volumenzunahme und Hebung,
Drucksteigerung durch zusätzliche Quellung bestimmter Tonminerale.
Grundsätzlich sind sowohl die Mächtigkeit der Überdeckung als auch die Ausbildung des
Vorkommens maßgebend für die Einschätzung des Gefährdungspotenzials. Bei geringer
Überdeckung (siehe Abbildung 5-2) und hoher hydraulischer Durchlässigkeit erfolgt durch
die Zusickerung von Oberflächenwasser eine Umwandlung von Anhydrit in Gips. Durch die
Wegführung des gelösten CaSO4 findet hier oft eine Setzung des Geländes infolge von GipsLaugung („Gips-Karst“) statt. Mächtige überlagernde und abdichtende Schichten bedingen
einen Erhalt des Anhydrit-Vorkommens (siehe Abbildung 5-3).
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Abbildung 5-2: Gips- und Anhydritvorkommen im Gips-Keuper
Bei geringer Überdeckung erfolgte eine vollständige Umwandlung von Anhydrit zu Gips. Hier besteht
ein Gefährdungspotenzial durch Auslaugung von Gips und eine nachfolgende Geländesetzung (Quelle: LfU Bayern).
Abbildung 5-3: Gips- und Anhydrit-Vorkommen im Gips-Keuper.
Aufgrund mächtiger Überdeckung (größer 20 Meter) bleibt Anhydrit erhalten. Hier geht ein Gefährdungspotenzial durch Volumenzunahme nach Wasserzutritt z. B. durch eine Bohrung oder RingraumUmläufigkeiten von den Anhydrit-Körpern aus (Quelle: LfU Bayern).
Hebungsprozesse werden auch durch quellfähige Tonminerale ausgelöst. Besonders
Dreischichttonminerale (Montmorillonit, Illit und Vermiculit) können Wasser aufnehmen,
speichern und wieder abgeben. Sie sind damit quellfähig oder aufweitbar.
Wasserentzug führt zu einem Schrumpfprozess. Je nach den vorliegenden Randbedingungen können damit Hebungen und Senkungen der Erdoberfläche einschließlich der darauf
befindlichen Bauwerke verbunden sein. Die Setzungen und Hebungen verlaufen in Abhängigkeit der Wasserführung im Untergrund und der Belastungen durch Gebäude überwiegend
ungleichmäßig.
Ausgasungen
Unter bestimmten geologischen und tektonischen Gegebenheiten können bei Bohrungen
Gasvorkommen angetroffen werden. Dabei gehen von den verschiedenen Gasbestandteilen unterschiedliche Gefährdungen aus. Die brennbaren Kohlenwasserstoffkomponenten im
natürlichen Erdgas wie Methan, Ethan, Propan und Butan besitzen eine Explosions- und
Brandgefahr. Stickstoff und Kohlendioxid können zur Vergiftung und zum Ersticken infolge
von Sauerstoffmangel führen. Bei Bohrungen in der Umgebung von potenziellen Speichergesteinen wie porösen Sand- und Kalksteinen oder gasführenden Grundwässern sind Gasaustritte an der Erdoberfläche möglich.
5.1.3
Geotechnische Gefährdungspotenziale
Neben den zuvor beschriebenen natürlichen untergrundbedingten Gefährdungspotenzialen
können durch menschliche Eingriffe neue Gefährdungspotenziale entstehen, die als geotechnische Gefährdungspotenziale bezeichnet werden. Hierzu gehören künstlich geschaffene Hohlräume.
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Beim Anbohren dieser Hohlräume kann es zu Grundwasserabsenkungen, Setzungen, Spülungsverlusten oder Verlust des Bohrwerkzeuges kommen. Wasserzufuhr in mit Laugen
gefüllten Hohlräumen kann unter bestimmten Randbedingungen auch eine erneute Lösung
von Evaporitgesteinen verursachen, die ebenfalls zur Senkenbildung (Erdfälle) im oberflächennahen Bereich führt.
Im Untergrund verborgene unbekannte Deponien oder Altlasten können beim Durchbohren
zur Kontamination des Grundwassers führen. Weiterhin können unter Druck befindliche
giftige Gase und/oder Flüssigkeiten an der Oberfläche austreten und die Umwelt schädigen.
5.1.4
Technische / anthropogene Gefährdungspotenziale
Zu den technischen / anthropogenen Gefährdungspotenzialen zählen unerwartete Temperaturänderungen im Untergrund bzw. Grundwasser, unzureichende und nicht beständige Abdichtungen, unsachgemäß gewählte oder falsch eingesetzte Bohrverfahren, Materialschäden
und mangelnde Qualifikation von Planern und Bohrtrupps bis hin zur grob fahrlässigen Planung und Ausführung einer Anlage.
Durch eine Temperaturänderung im Untergrund entsteht, je nach Entzugsleistung und –
dauer, ein mehr oder weniger stark ausgeprägter thermischer Entzugstrichter. Der Temperaturabsenktrichter erzeugt einen horizontalen Temperaturgradienten und somit einen lateralen
Wärmefluss.
Nachteilige Temperaturänderungen bei Erdwärmeanlagen liegen vor, wenn die natürliche
Regenerierungsfähigkeit des Erdreichs in der betriebsfreien Zeit (innerhalb der Betriebsjahre) nicht ausreicht, um die ungestörte natürliche Untergrundtemperatur wieder zu erlangen.
Dabei handelt es sich entweder um eine deutliche Abkühlung bis hin zur Vereisung durch
eine übermäßige Wärmenutzung der Anlage oder um eine signifikante Aufheizung des Untergrundes im Falle einer nicht angepassten Klimatisierung von Gebäuden und des damit
einhergehenden Wärmeeintrages in den Untergrund.
Die Bedeutung von Temperaturveränderungen sowie die tatsächlichen nachteiligen Folgen
und die daraus resultierenden maximal akzeptierbaren Temperaturgrenzen, insbesondere
bei Wärmespeicherung, sind noch nicht hinreichend erforscht und werden in der Vielzahl der
Regelwerke, Leitfäden und Genehmigungen nicht ausreichend berücksichtigt.
In Abhängigkeit von der Höhe der Überbeanspruchung kann es in unterschiedlichem Maße
zu nachteiligen chemischen, biologischen und physikalischen Veränderungen des Grundwassers kommen, welche wiederum unterschiedliche Auswirkungen auf das Ausbaumaterial
und das Erdreich haben können.
Temperaturabsenkungen führen bei Erdwärmesonden z. B. bei häufigen Frost-TauWechseln zur Beschädigung des Verpressmaterials. Ebenso können Unterdimensionierungen von Einzelsonden oder Sondenfeldern Vereisungen verursachen, die bis in das Gebirge
reichen können.
Ein wichtiger Bestandteil beim Einbau und Betrieb von Erdwärmesonden ist das Verpressoder Verfüllmaterial. Die Verpressung des Ringraumes muss eine dauerhaft dichte, physikalisch und chemisch stabile Einbindung der Erdwärmesonde in das umgebende Gestein
gewährleisten und für die jeweilige Einsatztemperatur geeignet sein.
Eine unzureichende Abdichtung des Ringraumes einer Erdwärmesonde liegt vor, z. B. bei:
•
•
•
•
nicht vollständiger Ummantelung der Sondenrohre zum Schutz vor Punktlasten und
zum Schutz des Grundwassers bei Leckagen,
mangelnde Abdichtung der durch die Bohrung entstandenen möglichen vertikalen
Wegsamkeiten,
mangelnde thermische Anbindung der Sonde an den Untergrund sowie
Verwendung von Verpressmaterial, welches z. B. nicht dauerhaft beständig ist
13
• nicht sachgerechtes Anmischen oder Einbringen des Verpressmaterials
.
Die richtige Wahl des Bohrverfahrens ist grundlegend für die fachgerechte Errichtung einer
Erdwärmesondenanlage. Die Wahl des Bohrverfahrens und der Einsatz der Bohrgeräte ist
gemäß DIN 18301 Sache des Auftragnehmers.
Materialschäden mit Relevanz für den Untergrund sind auf die erdseitig verbauten Materialien wie Sonde und Verfüllmaterial zu beziehen.
Beschädigungen durch Einkerbungen oder Riefen können bei PE-Sonden zur Rissbildung
führen. Eine UV-Bestrahlung während der Lagerung und eine Missachtung der Temperaturbeständigkeit des Sondenmaterials insbesondere bei Wärmespeicherung können zur Alterung des Materials führen. Missachtung von Biegeradien und Druckbelastung können ein
Abknicken der Rohre verursachen. Ein Nichtbeachten der einschlägigen Schweißvorschriften
kann Beschädigungen oder unzureichende Verbindungen von PE-Rohren hervorrufen.
Da die Energiegewinnung mittels Erdwärmesonden relativ jung ist und die Betriebsdauer
i. d. R. auf mindestens 20 bis 30 Jahre ausgelegt wird, gibt es hinsichtlich Beständigkeit,
Materialschäden und Rückbau bzw. Außerbetriebnahme noch wenig Erfahrungswerte.
Als problematisch sind Erdwärmesonden zu betrachten, die später schlecht bis gar nicht
mehr zugänglich sind, zum Beispiel, wenn die Sonden unter der Bodenplatte eines Gebäudes liegen oder aber ein Zugang für etwaige Arbeiten nicht mehr vorhanden ist. Die Auswirkungen von Materialschäden (Sonden, Abdichtungsmaterial) auf das Grundwasser umfassen
vor allem geohydraulische und geochemische Veränderungen (siehe 5.1.1).
Anthropogene Gefährdungspotenziale beruhen im Wesentlichen auf einer die möglichen
(technischen) Risiken nicht berücksichtigenden Planung und Ausführung geothermischer
Anlagen. Problematisch ist in diesem Zusammenhang, dass durch die anhaltend große
Nachfrage nach Erdwärmesondenanlagen die Zahl unzureichend qualifizierter Planer und
Bohrfirmen zugenommen hat.
5.2
Auswirkungen auf das Grundwasser
5.2.1
Geohydraulische Auswirkungen
5.2.1.1
Absenkung des Grundwassers
Beschreibung der Auswirkung und deren Ursachen
Wird durch eine Erdwärmebohrung eine hydraulische Verbindung zweier ansonsten getrennter Grundwasserstockwerke verursacht, so kann dies bei unterschiedlichen hydraulischen
Druckhöhen und einer unzureichenden Abdichtung des Bohrlochs zu einem Übertritt von
Wasser aus einem in das andere Stockwerk führen.
Beispiel
Etwa zwei Wochen nach Beginn der Bohrarbeiten für eine Erdwärmesonde wurde ein Sinken
des Grundwasserspiegels in einer nur rund 200 m entfernten Messstelle des Landesgrundwassermessdienstes Hessen beobachtet. Die Absenkung erfolgte deutlich bis unter die seit
1960 wöchentlich gemessenen Grundwasserstände und führte schließlich ab sechs Wochen
nach Beginn der Bohrarbeiten zu einem Trockenfallen der Messstelle. Die Landesgrundwassermessstelle wurde daher Mitte 2009 aufgegeben. Aufgrund der räumlichen Nähe der Erdwärmesondenbohrung und des zeitlich kurz daraufhin stattfindenden Trockenfallens der
nahe gelegenen Landesgrundwassermessstelle, wird vom Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie von einem kausalen Zusammenhang ausgegangen.
Mögliche Empfehlungen zur Vermeidung
Durch eine Begrenzung der Bohrtiefe einer Erdwärmesondenanlage auf das jeweils oberste
Grundwasserstockwerk können hydraulische Verbindungen sicher vermieden werden.
14
Erfolgen Eingriffe bis in tiefere Stockwerke, können durch eine sachgerechte Abdichtung
(Verpressung) des Ringraums der Erdwärmebohrungen nach Einbau der Sonden hydraulische Verbindungen von Grundwasserstockwerken in der Regel ausgeschlossen werden. Da
der Stockwerksbau nicht immer sicher erkannt werden kann, sollten Erdwärmesondenbohrungen grundsätzlich vollständig verpresst werden.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass es insbesondere in Gebieten mit deutlicher Verkarstung
oder Zerklüftung des Untergrundes oder beim Vorkommen stark gespannter (= unter Druck
stehender) Grundwässer zu einer unzureichenden Verpressung von Bohrlöchern kommen
kann.
5.2.1.2
Anhebung des Grundwasserspiegels
Eine Erhöhung bzw. ein Anstieg des Grundwasserspiegels kann sowohl in Folge der Errichtung von Erdwärmesondenanlagen als auch bei der Nutzung mit Brunnenanlagen (Wasser /
Wasser-Anlagen) auftreten.
Bei der Errichtung von Erdwärmesondenanlagen kann es beim Antreffen gespannten
Grundwassers durch eine Druckentlastung zu einem Anstieg des Grundwasserspiegels im
hangenden Grundwasserleiter kommen. Gleiches kann bei Antreffen von hydraulisch wirksamen Störungs- bzw. Kluftzonen oder von Hohlräumen (z. B. Karst, Altbergbau) erfolgen.
Dieses ist in der Regel nur temporär während des Bohrvorgangs zu beobachten. Im Bohrloch aufsteigende Grundwässer können die Bohrarbeiten bzw. die Bohrlochverpressung
nach dem Einbau der Sonde beeinträchtigen.
Im Fall unzureichend abgedichteter Ringräume von Erdwärmesonden kann dieses auch
dauerhaft erfolgen. Neben der Anhebung des Grundwasserspiegels kann es hierbei auch zur
Vermischung von hydrochemisch unterschiedlichen Grundwässern kommen.
Bei Wasser / Wasser-Nutzungen (Förder- und Schluckbrunnen) kann es im Bereich des
Schluckbrunnens zum Aufstau von Grundwasser kommen. Ursachen dafür sind z.B. unterdimensionierte Schluckbrunnen oder die Unkenntnis bzw. Nichtbeachtung der Grundwasserpotenziale sowie die hydrochemische Zusammensetzung des Grundwassers.
Beispiel
In Baden-Württemberg wurde durch eine unzureichende bzw. fehlende Abdichtung des
Ringraums von zwei Erdwärmesondenbohrungen ein Grundwasserstockwerk im Keuper mit
dem liegenden Grundwasserstockwerk des Muschelkalks verbunden und ein stockwerksübergreifender Grundwasserfluss ermöglicht. Die Druckspiegelhöhe des Grundwassers im
tieferen Grundwasserstockwerk (Oberer Muschelkalk) stieg um mehr als 2,5 m an, wodurch
es, neben den durch die Absenkung bedingten Schäden (Gebäudeschäden), u. a. auch zu
Durchmischungen und einer Veränderung der Grundwasserfließrichtung kam.
Erdwärmesonden
Bereits zu Beginn der Planung der Erdwärmesondenanlage sind Informationen zur geologischen und hydrogeologischen Standortsituation einzuholen, um Grundlagen für die Auswahl
des Bohrverfahrens und der zu verwendenden Verpressmaterialien zu erhalten und um die
standortspezifischen Verhältnisse zu berücksichtigen. Dies ist erforderlich, damit das Bohrunternehmen mit der entsprechenden technischen Ausrüstung in der Lage ist, z. B. gespannte oder artesisch gespannte Verhältnisse sicher beherrschen zu können.
Weiterhin muss das Verpressmaterial an die geologische und hydrogeologische Situation
angepasst sein, um z. B. durch Einsatz von geeignetem Material eine dauerhafte Abdichtung
unterschiedlicher Grundwasserkörper und/oder von Artesern zu gewährleisten. Um diese
dauerhafte Dichtheit des Verpressmaterials zu garantieren, muss dieses zudem an den
Grundwasserchemismus angepasst sein (saure Grundwässer, Sulfatbeständigkeit etc.).
15
Ebenso ist die ausreichende Dimensionierung der Erdwärmesondenanlage eine Grundvoraussetzung, um die dauerhafte Dichtheit der Ringraumverpressung zu erhalten. Da bislang
kein allgemein anerkanntes Prüfverfahren zum Nachweis der Frost-Tauwechselbeständigkeit
der Verpressmaterialen vorliegt, kann der Nachweis einer Frost-Tauwechselbeständigkeit
noch nicht erbracht werden. Anlagen sind somit so zu dimensionieren, dass ein Durchfrieren
der Ringraumverpressung vermieden wird.
Bei bekanntem Grundwasserstockwerksbau kann mit einer Bohrteufenbegrenzung auf den
oberen Grundwasserleiter eine Verbindung mehrerer Grundwasserleiter vermieden werden.
Brunnendublettenanlagen
Bei der Planung von geothermischen Wasser / Wasser-Anlagen (Förder- und Schluckbrunnen) ist die Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse eine Grundvoraussetzung. Mit entsprechenden hydrogeologischen Voruntersuchungen sind sowohl die
Gewinnbarkeit wie auch die Wiedereinleitung des geförderten Grundwassers zu testen. Mit
diesen Testergebnissen ist dann eine Dimensionierung der Anlage so durchzuführen, dass
durch die Grundwassernutzung keine dauerhaft schädlichen Auswirkungen zu besorgen
sind.
5.2.1.3
Artesischer Austritt von Grundwasser
Artesisch gespanntes Grundwasser tritt auf, wenn das hydrostatische Druckniveau des
gespannten Grundwassers über dem Höhenniveau der Erdoberfläche liegt. Dies kann, bei
unerwartetem Antreffen und/oder bohrtechnisch nicht beherrschtem Austritt, zu nachteiligen
Auswirkungen führen, die ggf. auch dauerhaft sind. Der Austritt artesisch gespannten
Grundwassers kann, im Vergleich zu möglichen nachteiligen Auswirkungen beim Erbohren
von „nur“ gespanntem Grundwasser, nicht nur die hydraulischen und hydrochemischen
Verhältnisse negativ beeinflussen, sondern, durch den oberflächigen Wasseraustritt, auch
größere Schäden für das Bauvorhaben und sein Umfeld zur Folge haben. Diese können
sowohl bauzeitlich kurz, aber auch langfristig auftreten. Wie zahlreiche Beispiele aus den
Erhebungen der Staatlichen Geologischen Dienste zeigen, erfolgt das Antreffen von artesisch gespanntem Grundwasser oft überraschend und unvorbereitet.
Als Hauptprobleme, die infolge artesischer Druckverhältnisse resultieren können, sind das
unkontrollierte oberflächige Austreten von Grundwasser beim Abteufen der Bohrung sowie
eine nicht ausreichende Abdichtung des Ringraumes des Bohrlochs zu nennen. Beobachtbare nachteilige Auswirkungen sind von verschiedenen Fällen bekannt, wobei hier nur die
originär „artesisch“ bedingten, d.h. an der Geländeoberfläche auftretenden Auswirkungen
genannt werden.
Besonders problematisch sind so genannte „verwilderte“ Arteser, bei denen es zu Grundwasseraustritten abseits des eigentlichen Bohransatzpunkts kommt. Der Grundwasseraustritt
erfolgt hierbei aufgrund von Schwächezonen im Gebirge in der Umgebung und z. T. auch auf
benachbarten Grundstücken.
Beispiele
Ein verwilderter Arteser ist im November 2009 in Wiesbaden aufgetreten (siehe
Abbildung 5-6). Ein weiterer artesischer Austritt wurde, bisher einmalig, bedingt durch eine
unzureichende, nicht stabile Abdichtung, erst mehrere Jahre nach Abschluss der Baumaßnahme beobachtet. Die noch nicht abschließend geklärte Ursache liegt vermutlich in einer
frost-/tauwechselbedingten Schwächung der Abdichtung nach einem sehr kalten Winter mit
einer nicht ausreichend dimensionierten Erdwärmesonde. In vereinzelten Fällen kam es mit
dem aufsteigenden Grundwasser auch zum Austrag von Feinanteilen der Sedimente des
Untergrunds, was z. T. zu erheblichen Verschmutzungen führte (Abbildung 5-4). Aufgrund
des Materialaustrags besteht die Gefährdung durch Setzungen des Untergrundes, bzw. von
Einbrüchen an der Geländeoberfläche.
16
Abbildung 5-4: Artesischer Grundwasseraustritt mit Ausspülung von Feinmaterial (Quelle: LRA RV).
Abbildung 5-5: Artesischer Grundwasseraustritt einige Meter neben einer EWS-Bohrung (Quelle:
LGRB).
17
Abbildung 5-6: Verwilderter Arteser in Wiesbaden (Quelle: HLUG).
Bei einer sorgfältigen Planung und einer vorzeitigen Information über die geologischen /
hydrogeologischen Verhältnisse am Standort lässt sich diese Auswirkung verringern. Durch
das Vorhalten einer entsprechenden bohrtechnischen Ausrüstung kann der Arteser „beherrscht“ werden, so dass keine nachteiligen Auswirkungen auftreten. Um einen vorhandenen Arteser während des Bohrvorgangs überhaupt erkennen zu können, ist der Einsatz
eines geeigneten Bohrverfahrens, ggf. bei zu erwartendem Auftreten der Einbau eines Sperrrohres, das Vorhalten geeigneter schwerer Spülungszusätze und eines geeigneten Packersystems oder eines Preventers zum verlässlichen Absperren erforderlich.
5.2.2
Hydrochemische Auswirkungen
5.2.2.1
Mischung und Ausfällungen in Wässern
Wichtig für einen effizienten Betrieb von Wasser / Wasser-Wärmepumpenanlagen sind die
Grundwasserbeschaffenheitsdaten des genutzten Grundwasserleiters am Planungsstandort.
Neben der Grundwassertemperatur sind dies die hydrochemischen Daten und der geologische Aufbau des Grundwasserleiters.
Publikationen und Leitfäden betonen zwar, dass die hydrochemischen Verhältnisse zu überprüfen sind. Als Grenzwerte, oberhalb derer es zu unerwünschten Reaktionen kommen
kann, werden z. B. für Mangan > 0,2 mg/l und für Eisen > 0,5 mg/l genannt, wobei darauf zu
achten ist, das die Probendaten repräsentativ für das genutzte Grundwasser sind. Hierbei ist
auf eine mögliche hydrochemische Schichtung mit unterschiedlichen Redoxverhältnissen zu
achten.
Bei einer Mischung unterschiedlicher Wässer und bei Sauerstoffzutritt erfolgt die Oxidation
des gelösten Eisen und Mangans. In Folge dessen bilden sich Verockerungsbeläge in den
Leitungen, am Wärmetauscher und besonders im Schluckbrunnen, wenn dort sauerstoffhaltiges Wasser mit dem vorhandenen gelösten Eisen und Mangan in Kontakt kommt. Dies
kann Sanierungskosten verursachen und/oder zu einer Aufgabe der Anlage führen.
18
Beispiel
Abbildung 5-7 zeigt den Zustand eines Schluckbrunnens in Dessau (Sachsen-Anhalt). Bereits drei Monate nach Inbetriebnahme war der Brunnen nicht mehr funktionstüchtig. Neben
einer Verockerung kam es hier auch zu Versinterung, so dass der Brunnen trotz Bemühungen einer Regenerierung aufgegeben werden musste.
Abbildung 5-7: Verockerung in einem Schluckbrunnen (Quelle: LAGB LSA).
Vor Planung einer Wasser / Wasser-Anlage sollte die hydrochemische Zusammensetzung
des Grundwassers geprüft werden und bei erhöhten Konzentrationen ggf. von der Errichtung
einer Anlage abgesehen werden.
Bei der technischen Ausführung ist auf einen Abschluss des Wasserkreislaufes gegenüber
Sauerstoff zu achten.
5.2.2.2
Lösung/Mobilisierung
Bei Erdwärmesonden, Spiralrohren, CO2-Pipes etc. mit größeren Tiefen als ca. 10 m ist vor
allem der Ausbau in Bezug zur Geologie bzw. hydrostratigrafischen Abfolge entscheidend für
eine mögliche Beeinflussung der Grundwasserbeschaffenheit. Werden Grundwasserstockwerke mit unterschiedlicher natürlicher Beschaffenheit und unterschiedlichen Druckniveaus
miteinander verbunden, kommt es zu einem Austausch verschiedener Wässer. Dieser kann
einerseits z. B. eine Erhöhung der Mineralisation beim Aufstieg höher mineralisierter tiefer
Grundwässer bewirken, andererseits eine Verlagerung von Stoffen anthropogener Herkunft
aus oberflächennahen Grundwasserstockwerken in tiefere Grundwasserstockwerke (z.B.
Erhöhung der Nitratkonzentrationen, Eintrag von Pestiziden, Verkeimung, Eintrag von organischen Lösungsmitteln) bewirken. Die Mischung unterschiedlicher Grundwässer ist Ursache
einer Vielzahl von Reaktionen, wie Stoffausfällungen, Adsorptionsvorgänge etc. führen, die
die Grundwasserbeschaffenheit verändern können.
Auch bei geothermischen Brunnenanlagen ist durch die Entnahme und Rückführung aus
bzw. in den Grundwasserleiter eine Vielzahl von Änderungen der Grundwasserbeschaffenheit möglich. Dabei wird vorausgesetzt, dass Förderung und Wiedereinspeisung des Grundwassers in den gleichen (meist oberflächennahen) Grundwasserleiter erfolgen.
19
Für Wasser / Wasser-Anlagen sind die hydrogeologischen Randbedingungen (hydraulisch,
hydrochemisch) vor Anlagenerrichtung zu klären. Neben einer Probebohrung, mit sorgfältiger
Erfassung der geologischen Schichtdaten, sollte eine repräsentative Wasserprobe entnommen und neben den Vorort-Parametern (Leitfähigkeit, Temperatur, Sauerstoffkonzentration
und Redoxpotenzial) die Eisen- und Mangan-Konzentrationen bestimmt werden.
5.2.2.3
Stoffeintrag (z.B. bei/von Schadenfällen)
Durch einen Stoffeintrag von der Geländeoberfläche (z. B. beim Bohren, einen Eintrag durch
Verschleppung oder eine Leckage einer Sonde im Untergrund) können Schadstoffe in das
Grundwasser gelangen. Der Eintrag kann über folgende Wege erfolgen:
• Eintrag beim Bohrprozess,
• Eintrag über einen undichten Ringraum nach Errichten der Erdwärmesonde,
• Eintrag von Wärmeträgerflüssigkeit aus der Erdwärmesonde.
Während des Bohrprozesses ist der Eintrag von Schadstoffen aus der Bohrspülung heraus
oder über das Verschleppen möglich. Eine fehlende oder fehlerhafte Ringraumabdichtung
der Sonden kann zu Zutritten von Schadstoffen in den Grundwasserleiter, bzw. zu einem
Übertritt von Inhaltsstoffen über einen Trennhorizont hinweg führen. Erdwärmesonden sind
mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, welche bei Leckage der Sonde und gleichzeitig nicht
vollständig mit Verpressmaterial umhüllter Sonde austreten und in das Grundwasser gelangen kann.
Bei HD-PE-Rohren als Sondenmaterial und dem Fehlen von Abstandshaltern kann es beim
Einbau zu irreversiblen Beschädigungen der Sondenrohrwand kommen, die spätere Leckagen nach sich ziehen können [DVGW (2008)].
Beispiel
Ein Schaden kann durch einen anthropogen eingetragenen Stoff, aber auch durch geogen
vorhandene Stoffe des Grundwassers erfolgen. Der Eintrag von Schadstoffen (anthropogen
bzw. geogen) über undichte Ringräume kann oft erst nach Jahren eintreten oder bemerkt
werden und ist meist nicht sofort feststellbar. Zudem können die Schadstoffquellen zeitlich
und mengenmäßig unbegrenzt zur Verfügung stehen. Bei nicht ordnungsgemäßer Abdichtung können über den Ringraum Schadstoffe in das bisher nicht kontaminierte Grundwasser
gelangen (siehe Abbildung 5-8).
Im Bereich eines Parkplatzes wurden Absenkungen an der Oberfläche beobachtet. Kontrollen ergaben, dass die Hinterfüllung für ein Erdwärmesondenfeld keine Abdichtung sondern
nur über eine Kiesschüttung realisiert wurde. Dies führte über den Ringraum zum Zutritt von
Öl in den Grundwasserleiter.
20
Abbildung 5-8: Geologische Situation in Sachsen-Anhalt – Verschleppung eines Schadstoffs in
den GWL durch den Bohrvorgang (Quelle: LAGB).
Nach Möglichkeit sollte das Durchteufen von grundwasserschützenden Stauern nicht erfolgen. Im Bereich von Schadstoffherden sollten keine Erdwärmesondenanlagen errichtet
werden.
Der Bohrlochringraum um die Sonde sowie der Bereich zwischen den Sondenrohren sind
vollständig und hohlraumfrei zu verfüllen. Für geothermische Zwecke entwickelte Hinterfüllbaustoffe, die ein verbessertes Verhalten bei Frost-Tauwechseln und Beständigkeit gegen
Sulfatwässer aufweisen, sollten standardmäßig zum Einsatz kommen.
Das Wärmeträgermedium ist so zu wählen, dass im Fall einer Sondenleckage eine Grundwasser- und Bodenverschmutzung möglichst gering gehalten wird. Die meisten Richtlinien
und Leitfäden enthalten deshalb eine Auflistung von erlaubten Stoffen, die entsprechend der
VAwS trotz möglicher Zusätze, z.B. Korrosionsinhibitoren der Wassergefährdungsklasse 1
angehören. Für Erdwärmesondenanlagen in Trinkwasserschutzgebieten kann ein Betrieb mit
dem Wärmeträgermedium „Trinkwasser“ eine Option sein, um eine Gefährdung, die vom
Wärmeträgermedium ausgeht, zu vermeiden. Nach Sondeneinbau ist die Dichtheit der Sonden zu prüfen und nachzuweisen.
5.2.3
Thermische Auswirkungen
Die thermische Beeinflussung (Abkühlung, Erwärmung) des Untergrundes bzw. des Grundwassers ist eine direkte Folge geothermischer Nutzungen. In welcher Größenordnung bzw.
Reichweite diese Beeinflussung akzeptiert wird, ergibt sich einerseits aus anlagentechnischen/planerischen Vorgaben (z.B. VDI-Richtlinie 4640), aus den Beständigkeiten der eingesetzten Materialien und aus wasserund bergrechtlichen Vorgaben.
Während die Abkühlung des Untergrundes bzw. Grundwassers von Seiten des Grundwasserschutzes in der Regel als weniger problematisch als die Erwärmung angesehen wird,
führt insbesondere eine zu starke Abkühlung und die damit verbundene Eisbildung im Untergrund zu unerwarteten Auswirkungen. Grund ist die mit der Eisbildung verbundene VoluPK Geothermie, Februar 2011
21
menänderung, die zu einer mechanischen Verdrängungsbeanspruchung der Bohrlochverfüllung und des Gebirges führen kann.
Bei geothermischen Brunnenanlagen können Vereisungen nur in der Wärmepumpe auftreten, was zum Abschalten der Anlage führt.
5.2.3.1
Erwärmung
Durch nicht fachgerechte Auslegung der Erdwärmeanlage kann es zu einer dauerhaften
Erwärmung des Grundwassers kommen, wenn ein höherer Wärmeeintrag als Wärmeentzug
aus dem Untergrund erfolgt. Die Reichweite der Untergrund- bzw. Grundwassererwärmung
ist im Falle von geothermischen Brunnenanlagen höher als bei Erdwärmesonden.
Auswirkungen auf das Lösungsgleichgewicht auf Inhaltsstoffe des GW sind aufgrund der
i.d.R. geringen Temperaturen nicht zu erwarten. Ein Einfluss auf die mikrobiologische Aktivität ist möglich.
Beispiele
Dem HLUG sind verschiedene geothermische Anlagen bekannt, bei denen entgegen der
Planung und der Genehmigung mehr Wärme in den Untergrund abgeführt wird, als im gleichen Betrachtungszeitraum (z. B. ein Jahr) entnommen wird. Ursächlich sind bei diesen
Fällen Fehler in der Heiz- bzw. Kältebedarfsermittlung.
Vorgabe eines thermisch ausgeglichenen Betriebs.
5.2.3.2
Abkühlung
Der Grund für eine übermäßige Abkühlung des Untergrundes ist in der Regel eine unterdimensionierte, nicht an den Wärmebedarf des Nutzers/ des Gebäudes angepasste geothermische Anlage. In Einzelfällen kann aber auch eine unsachgemäße betriebliche
Nutzungsdauer die Ursache sein.
Der Entzug von Wärme aus dem Untergrund bzw. Grundwasser führt zu deren Abkühlung.
Hierbei ist zu unterscheiden zwischen der (a) geplanten, zeitlich begrenzten und wiederkehrenden Abkühlung im Regelheizbetrieb und der (b) nicht geplanten, übermäßig starken
und/oder lang anhaltenden Abkühlung.
Im Regelfall (a) beträgt die mittlere Abkühlung des Untergrundes bzw. des Grundwassers an
der Bohrlochwand bei einer nach der VDI-Richtlinie 4640 ausgelegten Erdwärmesondenanlage nach rund 25-jährigem Betrieb wenige Kelvin. Die messbare Reichweite der Abkühlung
beträgt kaum mehr als 10 – 20 m. Während die Auswirkungen des Regelfalls auf den Untergrund grundsätzlich unproblematisch sind, sind Auswirkungen auf die Bohrlochverfüllung
möglich, wenn diese nicht frost-tauwechselbeständig ist.
Die übermäßige Abkühlung (b) führt zu einer entsprechend starken Abkühlung des Untergrundes bzw. Grundwassers mit größeren Reichweiten. LENARDUZZI et al. (2000) berichten
über Funktionsprobleme und die Schädigung von Erdwärmesonden infolge Quetschung
durch das Gefrieren des Untergrundes mit Eislinsenbildung.
Bei geothermischen Brunnenanlagen ist die Abkühlung des Grundwassers insgesamt kleiner, jedoch ist ihre Reichweite größer, als bei Erdwärmesonden.
Änderungen der Temperaturverhältnisse im Grundwasser können zu Veränderungen der
geochemischen Lösungsgleichgewichte (ARNING et al. 2006) führen. Aufgrund der im Falle
der oberflächennahen Erdwärmenutzung in der Regel geringen Temperaturen sind Auswirkungen hier i. d. R. nicht zu erwarten.
22
Ein wesentlicher negativer Einfluss von Erdwärmesondenanlagen auf Mikroorganismen
konnte von SCHIPPERS & REICHLING (2006) nicht bestätigt werden.
Beispiele
Aufgrund fehlender Messungen / Messstellen existieren bisher keine Daten, die eine übermäßige Abkühlung außerhalb einer geothermischen Anlage aufzeigen. Es gibt aber zahlreiche belegte Fälle unterdimensionierter Anlagen (insbesondere Erdwärmesonden), bei denen
innerhalb der Sonden deutlich tiefere Temperaturen auftreten als geplant. Diese wiederum
verursachen auch im Untergrund eine stärkere Abkühlung als im Rahmen der Planung angenommen.
Den SGD sind verschiedene Erdwärmesondenanlagen bekannt, die aufgrund einer Unterdimensionierung nachträglich durch weitere Erdwärmesonden erweitert wurden. Es ist zudem
eine Anlage mit einer deutlichen Eisbildung im Untergrund bekannt (entspricht Beispiel
5.3.1.2 Hebung infolge Vereisung).
Im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE) der Schweiz haben BASSETTI et al. (2006) in
einer Dokumentation eine Reihe von Vorhaben zusammengestellt, bei denen es aufgrund zu
geringer Temperaturen in Erdwärmesonden zu Schäden an der Anlage bis hin zu Hebungen
kam.
Durch eine sachgerechte, auf den Bedarf abgestimmte und die geothermische Situation
berücksichtigende Planung, Ausführung und Betrieb einer geothermischen Anlage kann eine
zu starke Abkühlung im Untergrund vermieden werden. Weitere Hinweise aufgrund der
Auswertung von Schadensfällen geben BASSETTI et al. (2006).
5.2.4
Biologische Auswirkungen
Geogen und hydrochemisch verursachte natürliche Prozesse im Grundwasser sowie die
durch Bergbautätigkeit herbeigeführte oftmals hohe Mineralisation von Grubenwässern
stehen in Wechselwirkung mit biologischen Prozessen. Diese biologischen Auswirkungen im
Grundwasser und Grubenwasser können als Verunreinigungen, das sog. Fouling bezeichnet
werden. Die als Fouling charakterisierten Prozesse werden in verschiedene Typen unterteilt:
Die Ausbildung von Biofilmen durch Bakterien und Algen (Biofouling), die Auskristallisation
schwerlöslicher Salze (Scaling) sowie die Sedimentation von Sand und Schlamm. Eisen- und
Manganausfällungen (Verockerungen) werden ebenso durch biologische, mikrobielle Prozesse gesteuert. Die meisten der Prozesse treten häufig in Kombination auf. Auswirkungen
des biologischen Fouling können bei der Geothermienutzung vor allem in offenen Systemen
auftreten. Hierbei sind besonders die Grundwassergewinnung über Brunnensysteme sowie
die Grubenwassernutzung zu nennen.
Durch lokale Veränderungen der hydrochemischen und geogenen Gegebenheiten können
die Konzentration an gelösten organischen und anorganischen Stoffen und damit auch eine
Wachstumskomponente für Mikroorganismen erhöht sein. Weiterhin begünstigt die Rückführung von erwärmten Wässern in den natürlichen Kreislauf im Grund- oder Grubenwasser
durch einen Temperaturanstieg bei angewandter geothermischer Kühlungsnutzung das
mikrobielle Wachstum. Zusätzlich dazu erhöht sich bei einer geringen Fließgeschwindigkeit
des Wassers die Schlammmenge durch die Sedimentation der Schwebfracht und somit die
Nahrungsquelle für Mikroorganismen. Diese können feste Oberflächen besiedeln und zum
Wachstum gelangen. Vor allem hochmineralisierte milieuabhängige Grubenwässer weichen
meist signifikant in ihrem Chemismus von bergbaulich unbeeinflussten Grundwässern ab.
Bei einer Förderung dieses Wassers nach Übertage kann es zu temperatur- und sauerstoffbedingten Ausfällungsprozessen kommen, welche meist mikrobiell gesteuert sind (s. Kapitel
5.5.2). Bei einer Nutzung mittels in das Grubensystem eingebetteten Plattenwärmetauschern
können ebenfalls durch Redoxpotenzial-, pH-Wert- und Temperaturänderungen sowie mikrobielle Prozesse Fouling auftreten.
23
Die genannten Auswirkungen des Biofouling können an technischen, vor allem wärmeübertragenden Anlagenteilen zu Verschmutzungen und somit zu einer Reduzierung der Anlageneffizienz führen. Durch Ausfällungen z.B. in Förderbrunnen muss der benötigte Druck erhöht
werden, um die Fließrate im Wärmetauscher aufrecht zu erhalten.
Weiterhin kann eine biologische Verkeimung von Brunnenfiltern bei der Grundwassernutzung zur Verminderung der Anlagenleistung führen. Wenn sich Bakterienfilme auf Rohr- oder
Sondenmaterialien ausgedehnt haben, können diese die Wärmeübertragung und den transport verringern (BELL & MUELLER, 2001). Dies kann insbesondere bei Plattenwärmetauschern auftreten, welche zur Grubenwassernutzung als Matten innerhalb des Grubengebäudes verlegt werden.
Das biologische Fouling im Grundwasser sowie in Grubenwässern als Auswirkung von geothermischer Nutzung (Bildung von Biofilmen, Verkeimung) kann als gering im Vergleich zu
physikalisch-chemischen Foulingprozessen (Kristallisation, Verockerung, Korrosion) eingeschätzt werden. Allerdings spielen mikrobielle Prozesse eine ausschlaggebende Rolle bei
Lösungs- und Fällungsreaktionen im Grund- und Grubenwasser (z.B. Verockerung) (s. Kapitel 5.2.2.1, 5.2.2.2).
Bei der Planung einer geothermischen Grubenwasseranlage oder bei Nutzung von Grundwasser über Brunnen sollte vorab eine Analyse der hydrochemischen Parameter sowie der
organischen Fracht erfolgen. Weiterhin kann mit Berechnungen von Löslichkeits-FällungsBeziehungen der im genutzten Wasser vorkommenden Elementen abgeschätzt werden, mit
welchen Temperaturgradienten die Anlage betrieben werden kann.
Ein turbulenter Fluss des Wärmeträgermediums verringert die Sedimentationen von
Schwebstoffen und damit das Nahrungsdargebot für Bakterien.
Um eine im wesentlichen durch mikrobielle Prozesse gesteuerte Verockerung der Wärmetauscher zu vermindern, kann das Grubenwasser in einem geschlossenen Kreislauf ohne
Sauerstoffzutritt und Druckentlastung geführt werden. Dies beugt der Ausfällung von Eisenhydroxid vor.
Bei der Auswahl der Materialien des Wärmetauschers ist darauf zu achten, dass sie den
physiko-chemischen Beanspruchungen durch die warmen und korrosiv wirkenden Grubenwässer standhalten und zudem eine Adsorption von Ausfällungen an den Wandungen weitestgehend verhindern. Hierdurch können die Wartungs- und Unterhaltungskosten erheblich
vermindert werden (OFNER & WIEBER, 2008).
5.3
Auswirkungen auf den Untergrund
5.3.1
Hebungen
5.3.1.1
Hebungen infolge Quellvorgängen, Mineralbildung
Die durch Quellung und Hebung in sulfatführenden Gesteinen verursachten spektakulären
Gebirgsverformungen sind, insbesondere im Wirkungsbereich von Tunnelbauwerken, seit
mehreren Jahrzehnten bekannt.
Die Ursachen und Mechanismen zum Quellverhalten von Anhydrit und Tongesteinen, die
häufig zu Bauverzögerungen als auch zu erheblichen Kostensteigerungen und Folgekosten
geführt haben, sind Gegenstand zahlreicher Untersuchungen (HENKE et al. (1975); REIMANN
(1991); ANAGNOSTOU (1992), HAUBER et al. (2005); WITTKE et al. (2007); RAUH (2009)). Die
hiermit verbundenen Gefährdungspotenziale sind beschrieben in 5.1.2.
Beispiel
Gegen Ende des Jahres 2007 wurden erstmalig als Folge von Bohrungen für ein geplantes
geothermisches Vorhaben Schäden an Gebäuden im historischen Altstadtbereich der Stadt
24
Staufen beobachtet. Nach dem Kenntnisstand ist es der einzige bisher bekannte Schadensfall, der auf Quellungen und Hebungen des Untergrundes als Folge eines Bohrvorhabens
zurückzuführen ist.
Die Stadt Staufen i. Br. beabsichtigte, das denkmalgeschützte Rathaus mit einer Erdwärmesonden gekoppelten Wärmepumpenanlage zu heizen und zu kühlen. Hierzu wurden im
September 2007 hinter dem Rathaus sieben bis zu 140 m tiefe Erdwärmesonden eingerichtet. Wenige Wochen nach dem Abteufen der Erdwärmesondenbohrungen wurden Risse im
renovierten Rathaus beobachtet. Mit geodätischen Messungen wurde ein elliptischer Hebungsbereich nachgewiesen. Er hat eine Länge von ca. 280 m und eine Breite von ca.
180 m. Die Hebung verläuft seit Beginn der Messungen weitgehend linear. Die maximale
vertikale Hebungsrate im Hebungszentrum beträgt bis zu 11 mm/Monat.
Der Untergrund im Bereich des Erdwärmesondenfeldes wird unter einer geringmächtigen
Quartärüberdeckung von der Schichtenfolge des Mittleren Keupers (Schilfsandstein und
Gipskeuper) und des Unterkeupers aufgebaut. Der Gipskeuper enthält Gips und Anhydrit
sowie quellfähige Tonminerale. Anhand der Temperaturverteilung in einer der Erdwärmesonden wurde ein Grundwasseraufstieg im Ringraum der Erdwärmesondenbohrung nachgewiesen. Durch die Wasserzutritte in einen ehemals trockenen Gebirgsabschnitt wird eine
Umwandlung von Anhydrit in Gips verursacht. Sie ist mit einer erheblichen Volumenzunahme
verbunden. Während tonfreie Anhydritgesteine kaum quellen, führen quellende Tonminerale
zur Aufweitung des dichten Anhydritgesteins, erhöhen die Wasserwegsamkeit und damit die
Sulfatlösung. Weiterhin begünstigen sie mit der weiteren Retardation und Absorption des
Wassers zudem die Gipsfällung.
Abbildung 5-9: Hebungsrisse an Gebäuden in Staufen i. Br. (Quelle: LGRB)
Um die Quellungsvorgänge zu stoppen ist es erforderlich, den Zufluss von Grundwasser in
die quellfähigen Gesteine zu unterbinden. Dies erfolgt durch ergänzende Abdichtungen der
Ringräume und durch hydraulische Maßnahmen (Absenkung des Grundwasserdruckspiegels). Durch eine Tiefenbegrenzung der Bohrung können Wegsamkeiten in Anhydritgestei-
25
nen vermieden werden. Weiterhin ist das Erstellen einer dauerhaft dichten, sulfatbeständigen
Abdichtung sicher zu stellen.
5.3.1.2
Hebung infolge Vereisung
Die Bildung eines Eis- bzw. Frostkörpers führt durch die Volumenzunahme gefrierenden
Wassers zu einer mechanischen Verdrängungsbeanspruchung der Bohrlochverfüllung und
des Gebirges. An der Erdoberfläche kann sich dies oberhalb der Sonden sowie oberhalb der
Anbindeleitungen in Form einer Hebung bemerkbar machen. In der Regel schließt sich an
die Hebung eine Setzung an (siehe Kapitel 5.3.2).
Die Bildung von Eis- bzw. Frostkörpern ist bei Erdwärmesondenbohrungen ein Hinweis auf
eine Unterdimensionierung oder eine betriebszeitliche Übernutzung.
Beispiele
Eine in Hessen im Juni 2006 in Betrieb genommene Erdwärmesondenanlage des Einfamilienhauses lief nahezu drei Jahre zur vollen Zufriedenheit der Eigentümer, bis sich im Februar
2009 das Pflaster über den rund 5 m voneinander entfernten zwei Erdwärmesonden um bis
zu 10 cm hob. Die nachfolgend einsetzende Senkung des Pflasters ging so weit, dass es
schließlich ab März zur Bildung einer Vertiefung und der nachfolgenden Ausbildung eines
Trichters kam.
Abbildung 5-10: Senkungen und Hebungen verursacht durch eingefrorene Zuleitungen einer
Erdwärmesondenanlage (BASSETTI et al. 2006).
Allein durch eine ausreichende, d.h. an die Anforderung der Wärmepumpenanlage und die
geothermische Situation angepasste Dimensionierung und einen sachgerechten Betrieb
kann die Bildung von Frostkörpern in der Erdwärmesondenbohrung vermieden werden.
Da die mittlere Soletemperatur (Mittelwert von Sondenvor- und Sondenrücklauf) im Wochenmittel nicht unter 0°C sinken darf, ist die Entstehung einer über den Bohrlochradius
hinausgehenden Vereisung bei einer ausreichenden Bemessung auszuschließen.
Zuleitungen sollten unterhalb der Frostgrenze mit einer entsprechenden Einbettung verlegt
werden, um Hebungen und Senkungen wie im genannten Beispiel zu vermeiden.
Durch die Bereitstellung von geothermischen Planungsgrößen kann dazu beigetragen werden, dass die Anlagenplanung die standörtliche geologisch-geothermische Situation besser
berücksichtigt. Die Forderung nach einer VDI 4640-konformen Planung oder auch die Forde-
26
rung nach einem frostfreien Anlagenbetrieb sind weitere Maßnahmen zur Verhinderung von
über den Bohrlochradius hinausgehenden Vereisungen.
5.3.2
Suffosion, Verbruch, Einbruch, Setzung
Als Verbruchprozess wird in der Ingenieurgeologie und der Geotechnik das schrittweise
Übertragen bzw. „Hocharbeiten“ eines Volumen- und damit gleichzeitig Massendefizits im
Untergrund in Richtung der Tagesoberfläche bezeichnet. Der bei diesem Prozess entstehende geometrische Körper wird als Verbruch bezeichnet.
Die Ursache für einen natürlichen Einbruch bzw. Erdfall sind Auslaugungen von Salz, Kalk
und Gips im tieferen Untergrund. Wenn die Hohlräume zu groß werden, brechen sie zusammen und an der Erdoberfläche sackt der Boden nach.
Unter Suffosion versteht man die Materialverlagerungen bzw. den Abtransport feiner Bodenteilchen im Untergrund durch Wasser. Dabei werden feine Körner eines ungleichförmigen,
nichtbindigen Bodens von der Strömungskraft des Wassers aus dem Boden gelöst und
durch den vorhandenen Porenraum bzw. durch künstlich geschaffene Hohlräume transportiert. Je nach Umlagerungsgeschwindigkeit bleiben das Volumen und die Struktur des Bodens zunächst erhalten. Aufgrund des zunehmenden Porenraumes, nimmt die Porosität und
somit die Durchlässigkeit für Wasser zu. Die Stabilität kann plötzlich abnehmen, und es
besteht die Gefährdung eines Zusammenbruches und einer Sackung an der Erdoberfläche.
Die Ursachen für einen Verbruch / Einbruch hängen in der Regel mit natürlichen oder künstlichen Hohlräumen und einem unerwarteten Materialtransport zusammen. Natürliche Hohlräume entstehen durch Verkarstungsvorgänge, starke Klüftung oder Störungszonen.
Künstliche Hohlräume treten in der Regel im Zusammenhang mit bergbaulicher Tätigkeit auf.
Dies kann sowohl Altbergbau als auch rezenter Bergbau sein. Die Hohlräume wirken sich
zum einen durch ein gegenüber den natürlichen Verhältnissen verändertes hydrodynamisches Regime und zum anderen durch Auflockerungsbereiche in deren Umgebung aus.
Hohlräume können direkt angebohrt werden und damit zu Spülungsverlusten mit Materialtransport führen (siehe Abbildungen 5-11, 5-12).
Nachsackendes bzw. einstürzendes Material kann an der Erdoberfläche zu Bodensackungen
bis hin zu Kraterbildungen führen. Besteht zwischen tiefer liegenden Hohlräumen eine hydraulische Verbindung zu einem der hangenden geologischen Einheiten, in denen gebohrt
wird, kann dies zu schleichendem Materialtransport von oben nach unten führen. Bemerkt
wird dies in der Regel nur anhand von Spülungsverlusten.
Eine weitere Form künstlicher Hohlräume entsteht durch das Nichtverpressen bzw. unsachgemäße Verpressen von Ringräumen. Diese Hohlräume füllen sich entweder mit Material
aus dem umgebenden Gestein oder aber bleiben als permanente Wegsamkeit für Feinmaterial bestehen. Im ersten Fall kommt es zu einer kurzzeitigen und begrenzten Sackung an der
Oberfläche, im zweiten Fall kann es zu einer stetigen Suffosionserscheinung an der Oberfläche führen.
27
Abbildung 5-11: Schema Verbruch durch Karst- und Bergbauvorkommen (Quelle: GD NRW).
Mit einer Suffosion oder einem Verbruch gehen häufig auch Setzungen einher. Setzungen
sind zum einen auf eine Zusatzbelastung des Korngerüstes durch fehlenden Auftrieb (z. B.
Grundwasserabsenkung in nichtbindigen Sedimenten wie Sanden etc.) und zum anderen auf
das Schrumpfen bindiger Böden (Ton, Schluff etc.) durch eine mit abnehmendem Wassergehalt zunehmende Kapillarspannung zurückzuführen.
Die Ursachen einer Grundwasserabsenkung im Zusammenhang mit einer geothermischen
Bohrung sind in 5.2.1.1 beschrieben. Das Schrumpfen bindiger Böden bzw. von Verfüllmaterial kann durch häufige Frost-/Tauwechsel und nicht frostbeständiges Verfüllmaterial bedingt
werden (siehe 5.2.3.2). Die Folge ist eine Setzungserscheinung.
Durch eine Entwässerung von Sedimenten können Setzungen entstehen, wenn in Folge
eines hydraulischen Kurzschlusses (Ringraum-Umläufigkeiten) Grundwasser in andere
grundwasserleitende Schichten abströmt und das zuvor grundwassererfüllte Porenvolumen
durch den Druck der überlagernden Schichten verringert wird.
Setzungen können auch im Nachgang zu einem Verbruch im Umfeld der Verbruchzone
auftreten. Die Massenbewegungen in der Verbruchzone wirken sich bedingt auf die Sedimente im Umfeld des Verbruchs aus, und bewirken eine Änderung des Korngerüstes.
Beispiele
In Kamen-Methler (Nordrhein-Westfalen) wurde im Jahr 2009 eine Bohrung zur Erdwärmenutzung für ein Einfamilienhaus niedergebracht, in deren Verlauf es zu einem gravierenden
Havarieereignis kam. Am 9. Juli 2009 kam es in der unmittelbaren Umgebung der Bohrstelle
zu Bodenabsackungen, die innerhalb weniger Stunden zur Bildung eines Trichters von rund
50 – 60 m³ Volumen führten. Das Bohrgerät stürzte dabei in den Trichter und das im Bohrloch verbliebene Bohrgestänge riss ab.
Es kam zu einer sichtbaren Schiefstellung des angrenzenden Rohbaus (Senkung der NWEcke des Hauses um 86 mm; Hebung der SE-Ecke um 8 mm). Um den Einbruchskrater
herum bildete sich ein +/- konzentrisches System von Bodenrissen, die auch die Nachbargrundstücke betrafen und z. T. auch durch Gebäude bzw. Gebäudeteile hindurch aufrissen.
Es bestand bei einzelnen Häusern akute Einsturzgefahr. Die betroffenen Bewohner wurden
evakuiert und die Gebäude provisorisch gesichert.
Im Verlauf der folgenden Tage nach dem Havarieereignis senkte sich der Boden bis zu einer
Entfernung von ca. 200 m von der Havariestelle mit Beträgen bis > 10 cm. Auf zahlreichen
Grundstücken wurden tiefe Rissbildungen im Boden beobachtet. An insgesamt ca. 20 Gebäuden in der Umgebung traten im Laufe der nächsten Tage und Wochen z. T. Schäden auf,
die in einigen Fällen eine akute Einsturzgefahr hervorriefen. Vier Häuser müssen als Totalverluste angesehen werden. Beim westlich an die Unglücksstelle angrenzenden Anwesen
28
waren Wellenbildungen in der Hofpflasterung zu erkennen, die auf beträchtliche Horizontalbewegungen des Bodens hindeuten.
Wie ein umfangreiches Grundwassermonitoring nach Eintritt des Havariefalls gezeigt hat,
flossen durch das offene Bohrloch Grundwasser und erhebliche Mengen Sediment aus dem
ersten Grundwasserstockwerk in den Untergrund ab. Um die Schadensbohrung herum bildete sich ein erheblicher Grundwasserabsenkungstrichter aus.
Abbildung 5-12: Schematische Darstellung der geologischen Situation in Kamen-Wasserkurl (Quelle:
GD NRW).
Aus den geologischen Verhältnissen (Abbildung 5-13) und den Darstellungen des Schadensablaufs lässt sich folgender Verlauf des Havarieereignisses rekonstruieren:
Die verunglückte Geothermiebohrung hatte bei ihrer Endteufe von 70 m bereits den Übergang vom Emscher-Mergel zu den Gesteinen der Plänerkalk-Gruppe erreicht. Da bereits die
Emscher-Mergel, besonders aber die Plänergesteine wasserwegsame Klüfte aufweisen, die
mit großvolumigen Karsthohlräumen innerhalb der Plänerkalk-Gruppe in Verbindung stehen,
dürfte es bereits während des Bohrvorgangs zu einem schleichenden Verlust an Bohrspülung in den Untergrund gekommen sein. Hierfür spricht die auffallend geringe Menge an
Bohrklein, die im Spülcontainer der Bohrung vorgefunden wurde. Dieser Verlust an Bohrspülung wurde durch ständigen Zulauf aus dem quartären Grundwasserleiter ausgeglichen. Dies
konnte geschehen, weil das Bohrloch gegenüber dem quartären Grundwasserleiter nicht
abgedichtet war. An Stelle eines Standrohrs war versucht worden, das Bohrloch durch entsprechende Spülungszusätze (CMC) zu stabilisieren. Durch diesen ständigen Zulauf wurden
die Spülungszusätze unbemerkt sukzessive verdünnt, so dass die Stabilität des Bohrlochs
immer geringer wurde.
Solange sich das Bohrgestänge während der Bohrarbeiten im Bohrloch befand, begrenzte
der zur Verfügung stehende Ringraum den Wasserabfluss. Durch das weitgehende Ziehen
des Bohrgestänges bei Unterbrechung der Bohrarbeiten (bis auf einen Rest von 16 Metern
Länge) wurde der für den Wasserabfluss zur Verfügung stehende Raum stark vergrößert.
Das Wasser konnte nun unter Mitnahme von erheblichen Sedimentvolumina in großen Mengen schnell in das Bohrloch einfließen und von da aus über das angebohrte Kluftsystem in
die offenbar sehr aufnahmefähigen Karsthohlräume der Gesteine der Plänerkalk-Gruppe
gelangen. Der Wasser- und Sedimentabfluss in das Bohrloch führte zunächst zur Trichterbildung im unmittelbaren Bohrlochbereich. Das dabei entstehende Massendefizit löste dann
einen lateralen Zustrom aus, durch den es zu erheblichen Bodenbewegungen an der ErdPK Geothermie, Februar 2011
29
oberfläche kam, die letztlich für die aufgetretenen Gebäudeschäden verantwortlich sind. Die
auffällige Orientierung der Schadensverteilung in (nord-)westlicher Richtung lässt einen
durch eine tektonisch vorgezeichnete Kluftzone gesteuerten Materialtransport vermuten.
Vergleichsweise geringere Schadensbilder entstehen bei Setzungen infolge von Frostbildungen in Erdwärmesondenbohrungen, wie z.B. in Hessen beobachtet (siehe Abbildung 5-14).
Abbildung 5-13: Setzung infolge Frostbildung in der Erdwärmesondenbohrung (Quelle: HLUG).
Um einen Verbruch / Einbruch zu vermeiden, sind in erster Linie die Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen sowie der bergbaulichen Situation unabdingbar. Wird in Bereichen gebohrt, in denen mit Hohlräumen zu rechnen ist, sollte eine angepasste
Tiefenbegrenzung eingehalten werden. Die Tiefenbegrenzung muss in jedem Fall den Auflockerungsbereich im Umfeld von Hohlräumen berücksichtigen und somit einen Sicherheitspuffer beinhalten. Durch Hohlräume bedingte hydraulische Veränderungen im Untergrund
sind häufig nicht bekannt. Um diese dennoch zeitig zu bemerken, ist es seitens der ausführenden Bohrmannschaft notwendig, dass die Spülungsmengen kontrolliert und nachgehalten
werden. Ebenso erscheint es sinnvoll im oberen Lockergesteins- bzw. Auflockerungsbereich
mit Schutzverrohrungen zu arbeiten. Dies verhindert einen unkontrollierten Massentransport
in tiefere Hohlräume.
Eine fachgerechte Dimensionierung der Erdwärmesondenanlage, bei der eine Durchfrostung
des Verfüllmaterials vermieden wird sowie der fehlerfreie Einbau von Verfüllmaterial, welches widerstandsfähiger auf Frost-/Tauwechsel reagiert, sollte zur Vermeidung von Setzungen infolge von Erdwärmesondenbohrungen beachtet werden.
Ein hydraulischer Kurzschluss von verschiedenen Grundwasserleitern sollte vermieden
werden. Nur mit einer vollständigen und dauerhaften Abdichtung des Ringraums bzw. Bohrloches können vertikale Grundwasserbewegungen, Materialverlagerungen und Änderungen
der hydraulischen Druckbedingungen in den erbohrten Schichten unterbunden werden, die
zu Suffosionsprozessen, Verbrüchen oder Setzungen führen können.
30
5.4
Auswirkungen auf die Umwelt
5.4.1
Verschmutzungen von Oberflächengewässern
Verschmutzungen von Oberflächengewässern können durch Bohrspülungen verursacht
werden. Sie sind insbesondere durch die Eintrübung bzw. Verfärbung des Wassers durch
das Bohrklein und / oder Spülzusätze zu erkennen.
Die Eintrübung bzw. Verfärbung von Oberflächengewässern ist in der Regel gut sichtbar. Bei
z. B. nicht ausreichend großen Spülwannen, die aufgrund eines großen Wasserzutritts in die
Bohrung überlaufen können, kann es neben der Verschmutzung von Grundstücken (siehe
hierzu Kapitel 5.4.2) auch zu einer Verschmutzung von Oberflächengewässern kommen
(Abbildungen 5-15 und 5-16).
Beispiele
Abbildung 5-15 zeigt eine überlaufende Spülwanne infolge eines unerwartet hohen Wasserzutritts in die Bohrung. Das überlaufende verschmutzte Wasser strömt direkt dem benachbarten Bach zu.
Abbildung 5-14: Verschmutzung eines Oberflächengewässers infolge einer überlaufenden Spülwanne
(Foto: Rumohr).
Ein von der Bohrfirma unbemerkter Eintrag der Bohrspülung in Oberflächengewässer ist
auch über einen ausschließlich unterirdischen Transport der Bohrspülung möglich. Ein solcher Fall ist aus Hessen bekannt, bei dem ein rund 500 m von der Bohrung (Geologie: Rotliegend) entferntes Fließgewässer aufgrund effluenter Verhältnisse eingefärbt wurde (siehe
Abb. 5-16). Diese Auswirkung kann insbesondere in Grundwasserleitern mit hohen Fließgeschwindigkeiten und geringer Filterwirkung auftreten.
31
Abbildung 5-15: Eintrübung eines Oberflächengewässers.
(Foto: Wasserbehörde, Main-Kinzig-Kreis).
Eine Gegenmaßnahme gegen eine solche in der Regel bemerkte Auswirkung ist das Bereitstellen weiterer Spülwannen bzw. die (genehmigte) Ableitung in die Kanalisation.
Durch das Mitführen eines Schutzrohres können Spülverluste vermieden werden, die zu
einem unterirdischen Transport / Eintrag einer Verunreinigung in ein Oberflächengewässer
führen.
5.4.2
Auswirkungen auf Grundstücke und infrastrukturelle Einrichtungen
Verschmutzungen als Folge von Bohrarbeiten sind in einem gewissen Umfang kaum bis
nicht vermeidbar, jedoch häufig umfangreicher als von den Kunden / Bauherren erwartet.
Typisch sind das Verschlammen des Bohrplatzes, die Bildung von Fahrspuren und das
Verschmutzen bestehender Gebäude durch verspritzende Bohrspülung. Bei unerwartet
hohem Wasseranfall führt die ablaufende Bohrspülung auch zu Verschmutzungen außerhalb
des Bohrplatzes bis hin zum öffentlichen Raum (Straße).
Bei Bohrungen und anderen Tiefbauarbeiten innerhalb bebauter Ortslagen besteht generell
die Gefährdung, dass Ver- und Entsorgungsleitungen beschädigt werden. Das Anbohren von
Abwasserrohren sowie deren teilweise Verfüllung mit Verfüllsuspension sind dokumentiert.
Die Ursache dafür ist, dass die Lage der Ver- und Entsorgungsleitungen nicht bekannt ist,
weil diese entweder nicht erfragt wurde, ihr Verlauf nicht korrekt übertragen wurde bzw.
deren tatsächliche Lage nicht mit der in Lageplänen dokumentierten Lage übereinstimmt.
Umfangreichere Verschmutzungen sind auf das Austreten von Spülung in einem unerwartet
großen Umfang (Spülwanne nicht ausreichend), das Austreten (Ausblasen) von Druckluft mit
Bohrklein oder das Austreten artesisch gespannten Wassers mit Materialaustrag zurück zu
führen.
Verschmutzungen auf Grundstücken treten im Vergleich zu Verschmutzungen von Kanaleinläufen / Kanälen sehr häufig auf.
Beispiele:
Es sind Einzelfälle bekannt, bei denen Abwasserleitungen angebohrt und teilweise zunächst
unbemerkt mit Verfüllsuspension verfüllt wurden.
32
Durch Überlaufen und unkontrolliertes Ableiten von Bohrungsspülwasser wurden Grundstücke verschmutzt (siehe Abbildung 5-17). Weiterhin ist ein Fall von austretendem Maschinenöl eines Bohrgerätes bekannt, welches das Grundstück verunreinigte (Abbildung 5-18).
Verschmutzungen im Bereich der Straße können zudem zu Verschmutzungen von Kanaleinläufen bzw. der Kanalisation führen.
Abbildung 5-16: Verschmutzung eines Grundstücks durch unkontrolliertes Ableiten von
Bohrspülungswasser inkl. bohrlochstabilisierender schäumungsaktiver Substanzen
(Quelle: TLUG).
Abbildung 5-17: Verschmutzung von Grundstücken durch das Austreten wassergefährdender Stoffe
(Maschinenöl) durch das Bohrgerät (Quelle TLUG).
Durch das Vorhalten und den Einsatz der richtigen Gerätschaft, ggf. das Befestigen des
Bohrplatzes bis hin zum Abdecken von Gebäudeteilen können Verschmutzungen von
Grundstücken und Gebäuden auf das nicht vermeidbare Maß reduziert werden.
Zur Vermeidung von Auswirkungen auf infrastrukturelle Einrichtungen, wie Ver- und Entsorgungsleitungen, ist es unabdingbar, die Lage und den Verlauf von Ver- und Entsorgungsleitungen zu erkunden.
33
5.4.3
Ausgasung
Im Untergrund auftretende Gase, meist Methan oder Kohlendioxid, können eine Gefährdungen darstellen und zu Schäden führen, sowohl beim Abteufen der Bohrungen als auch beim
Betrieb der Anlage.
Methangasaustritte sind beispielsweise bekannt aus dem Kohle führenden Karbon im Saarland, aber auch aus anderen Gesteinsschichten, so aus dem Opalinuston in BadenWürttemberg oder aus dem Jungtertiär im Oberrheingraben. Methanaustritte in Bohrungen
können bei Volumenkonzentrationen von 4,4 – 16,5 % zu Explosionen führen, höhere Konzentrationen bei entsprechendem Nachschub zu länger anhaltenden Bränden. Ausgasende
Bohrungen können Methan in abgeschlossene Räume leiten.
Kohlendioxid kann über nicht fachgerecht ausgeführte Ringraumverfüllungen und defekte
Sonden aufsteigen und zum Ausfall einer Anlage führen.
Beispiele
In mehreren Bereichen des Saarlandes, mit besonderer Brisanz im Stadtteil Alt-Saarbrücken
der Landeshauptstadt Saarbrücken, treten Methanausgasungen auf, die eine Gefährdung
von Explosionen und Bränden mit sich bringen.
Bisher wurden innerhalb des betroffenen Gebietes sechs Anfragen und drei Anträge zum
Bau einer Erdwärmeanlage gestellt. Es wurden Auflagen erteilt und die Bohrarbeiten überwacht. Im Allgemeinen lagen die gemessenen Gaskonzentrationen in einem niedrigen Bereich mit 0 bis 2,8 Vol-%. Lediglich in einer Bohrung wurde mit 20,9 Vol-% eine hohe
Konzentration angetroffen, die aber schnell abnahm und leer zog.
Aus Baden-Württemberg sind zwei Fälle bekannt:
In einem Fall kam es im Bereich der Rottenburger Flexur über den Ringraum und zwei defekte Sondenschläuche zum Aufstieg und Austritt von CO2 aus Gesteinen des Muschelkalks.
Die Anlage musste aufgegeben werden und wurde rückgebaut.
Im zweiten Fall wurde am nördlichen Rand der Alb, völlig überraschend in rd. 100 m Teufe
im Opalinuston ein CH4-Vorkommen mit einer Erdwärmesondenbohrung erbohrt. Der Gasaustritt erfolgt mit ca. 90 m³/h und rd. 300 mbar Überdruck. Die Bohrung wurde verschlossen.
In gefährdeten Gebieten kann durch folgende Maßnahmen der Gefährdung durch Gasaustritte begegnet werden:
•
•
•
•
•
•
die Bohrarbeiten sind von einer erfahrenen Bohrfirma auszuführen,
während der Bohrarbeiten sind begleitende CH4-Messungen durchzuführen,
die obersten 10 m des Bohrlochs sind mit einer gasdichten Tondichtung zu versehen,
der Nachweis ist zu führen.
die Bohrungen sind möglichst weit vom Gebäude entfernt niederzubringen,
die Gräben zum Verteiler sind entgasend und die Zuleitungen in das Gebäude gasdicht herzustellen,
die Bohrungen dürfen nicht überbaut werden.
Bei hohen permanenten Gasströmen können Bohrungen gegebenenfalls nicht ausgebaut
werden und müssen fachgerecht wieder verschlossen werden.
Bei bekannten, zur Ausgasung neigenden Gesteinen wird in der Regel von den SGD bei
allen Erdwärmesondenbohrungen auf mögliche Gasaustritte hingewiesen.
34
5.5
Auswirkung auf Anlagentechnik
5.5.1
Gasdiffusion in PE-Sonde
In Deutschland können Grundwässer lokal einen stark erhöhten Gehalt an gelösten Gasen
aufweisen.
Erdwärmesondenrohre bestehen in der Regel aus PE- Material. Dieses Material hat allerdings ein für Gase durchlässiges Gefüge. Insbesondere die Kohlendioxidmoleküle können
aufgrund ihrer Größe und Struktur besonders gut durch die Wandung der PE-Rohre diffundieren.
Werden Erdwärmesondenanlagen ausschließlich zur Beheizung verwandt, so wird die Anlage in der Regel über die Sommermonate ohne Betrieb der Umwälzpumpe abgestellt. In dem
nicht mehr zirkulierenden Wärmeträgermedium stellt sich am Sondenfuß aufgrund der hydrostatischen Auflast ein erhöhter Druck ein. Die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten steigt
direkt proportional mit dem Druck. Das Gas diffundiert in die Sondenrohre und löst sich so
lange, bis der Sättigungszustand erreicht ist.
Wird nach längerer Stillstandszeit zu Beginn der Heizzeit die Zirkulationspumpe des Primärkreislaufes wieder eingeschaltet, so wird die Sole mit dem gelösten Gas nach oben gepumpt,
wo es lediglich unter dem geringeren Vordruck des Ausdehnungsgefäßes steht. Dementsprechend nimmt die Löslichkeit des Gases ab. Es kommt zu einer Entgasung, wobei bei
einer schnellen Entgasung eine Schaumbildung auftreten kann.
Residuale vulkanische Aktivitäten führen zu teilweise deutlich erhöhten Konzentrationen an
gelöstem CO2 im Grundwasser. Aufgrund des allgemein lokal begrenzten Auftretens stark
erhöhter CO2- Konzentrationen im Grundwasser sind bisher nur wenige Schadensfälle in
Deutschland (Eifel) bekannt.
Abgesehen von der schädigenden Wirkung CO2-haltiger Wässer auf ein Hinterfüllmaterial
ohne CO2- Resistenz führen erhöhte Gaskonzentrationen zu keiner unmittelbaren Gefährdung des Grundwassers. Erhöhte Gasvorkommen können allerdings zu ernsthaften Problemen beim Betrieb von Erdwärmesondenanlagen führen.
Herkömmliche Luftabscheider in der Soleeintrittsleitung können die ausgasenden Gasmengen nicht immer vollständig abscheiden. Der entstehende Schaum gelangt in den Verdampfer der Wärmepumpe, reduziert dort erheblich die Entzugsleistung und kann bereits nach
kurzer Zeit zu einer Störabschaltung der Wärmepumpe führen.
Darüber hinaus entfaltet die Sole durch die Lösung von Kohlendioxid eine korrosive Wirkung,
was zu Korrosionsschäden an dem Wärmetauscher des Verdampfers der Wärmepumpe
führen kann.
Abhilfe kann im konkreten Fall durch eine Entlüftung des Solekreislaufes erfolgen. Vorkehrend erscheint es sinnvoll, die Anlage in den Sommermonaten nicht vollständig außer Betrieb zu nehmen. Stattdessen sollte zumindest periodisch die Zirkulationspumpe in Betrieb
gesetzt werden. Konstruktiv kann die Ausgasung dadurch gering gehalten werden, indem
der Druck an der höchsten Stelle der Anlage möglichst hoch gehalten wird. In kritischen
Bereichen mit bekannten Kohlendioxidvorkommen ist es ratsam, diffusionsbeständiges
Sondenmaterial (z. B. Mehrschichtmaterial mit zwischengelagerter Metallfolie) zu verwenden.
35
5.5.2
Verockerung bei Schluckbrunnen
Ursachen für Verockerungen sind erhöhte Konzentrationen von im Grundwasser gelösten
Eisen (Fe2+)- und Mangan-Ionen in Verbindung mit einer Veränderung der Redoxverhältnisse, die zu einem Ausfallen unlöslicher Eisen- und Manganverbindungen führen.
Die Mineralneubildungen verringern bzw. blockieren die Durchströmungskanäle von Wärmetauschern und Filterrohren.
Mit der Verockerung geht oft eine Verkalkung des Brunnens (Versinterung) einher
(5.2.2.1und 5.2.4).
Betroffen sind dabei alle Anlagenteile, vom Brunnen, über die Brunnenpumpe, die Rohrleitungen, Filteranlagen sowie die Versickerungsanlage, der Grundwasserleiter selbst und die
Wärmepumpe. Diese Prozesse können sowohl im Förderbrunnen als auch im Schluckbrunnen stattfinden. Insbesondere in letzterem ist die Gewährleistung eines vollständigen Abschlusses von Sauerstoff technisch schwer zu realisieren.
Genannte Auswirkungen können zum Leistungsabfall bis zum Ausfall der Anlage führen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit der Verunreinigung des Grundwasserleiters.
Beispiel
Abbildung 5-7 in Abschnitt 5.2.2.1 zeigt einen verockerten Schluckbrunnen in Dessau (Sachsen-Anhalt). Bereits drei Monate nach Inbetriebnahme war der Brunnen nicht mehr funktionstüchtig. Neben Verockerung kam es hier auch zu Versinterung, so dass der Brunnen trotz
Bemühungen einer Regenerierung aufgegeben werden musste.
Im Vorfeld der Brunnenbohrungen sollten vorhandene hydrochemische Daten des Grundwasserleiters recherchiert werden.
Pumpversuche und chemische Analysen des geförderten Grundwassers auf Hauptinhaltsstoffe und Vor-Ort-Parameter sind im Vorfeld durchzuführen. Kenntnisse zur Förderleistung
sowie zur Konzentration an z.B. Eisen- und Mangan-Ionen bzw. zu den Redoxverhältnissen
dienen zur Entscheidungsgrundlage, welche Brunnenausbaumaterialien und ggf. Reinigungsintervalle beim Betrieb der Anlage notwendig werden.
Eine Anlagendimensionierung sollte anhand der benötigten und der verfügbaren Förderleistung erfolgen.
5.6
Häufigkeit der Auswirkungen
Dieser Bericht soll dazu dienen, bekannte und unerwartete Auswirkungen von Erdwärmevorhaben zu erfassen. Hierzu gehört neben einer systematischen Nomenklatur und strukturierten Beschreibung auch eine Bezifferung der Häufigkeit des Auftretens von unerwarteten
Auswirkungen.
Eine vollständige und verlässliche Quantifizierung der bekannten Auswirkungen ist im Rahmen dieses Berichtes jedoch nicht möglich. Alle beim Bohren und Einbau auftretenden Besonderheiten müssen in der Regel bei den Genehmigungsbehörden und nicht bei den
Fachbehörden (SGD) gemeldet werden. Die SGD erhalten somit meistens keinen automatischen und detaillierten Rückfluss über Einbau und Betrieb sowie über unerwartete Ereignisse während oder nach dem Einbau von Erdwärmesondenanlagen. Nur in einigen
Bundesländern erfolgt ein automatischer direkter Informationsaustausch von den Genehmigungs- zu den Fachbehörden (SGD) bezüglich der bekannten Auswirkungen.
36
In dem engen Zeitrahmen, der zur Bearbeitung des Berichtes zur Verfügung stand, war es
nicht allen SGD möglich, die Anzahl der aufgetretenen Auswirkungen bei allen Genehmigungsbehörden flächendeckend abzufragen. Es ist zudem davon auszugehen, dass nicht bei
allen Genehmigungsbehörden die Auswirkungen dokumentiert und archiviert werden.
Die Anzeigen von Bohrungen nach Lagerstättengesetz sowie die Übermittlung der Aufschlussergebnisse nach Beendigung der Bohrarbeiten ermöglichen keine verlässliche Aussage über die Anzahl der unerwarteten Auswirkungen. Die von den Bohrunternehmen
eingereichten Dokumentationen beschreiben nur die Untergrundverhältnisse und in der
Regel keine besonderen Vorkommnisse während des Bohrens oder Auswirkungen durch
den Betrieb einer Anlage.
Es ist jedoch festzustellen, dass die Häufigkeiten des Auftretens von Auswirkungen unmittelbar mit der Art der Auswirkungen zusammenhängen. Während Auswirkungen, die an der
Oberfläche stattfinden, fast vollzählig erfasst werden können, werden Auswirkungen, die
nicht an Erdoberfläche sichtbar sind, z. B. im Grundwasserleiter, nicht automatisch erkannt.
Sie werden oft erst mit einer langen zeitlichen Verzögerung erkannt. So sind Arteser aufgrund ihrer augenscheinlichen und oft spektakulären Erscheinungen an der Geländeoberfläche unmittelbar und somit häufiger zu beobachten und zu beziffern, als z. B. eine Mischung
von unterschiedlichen Wässern in einem Grundwasserleiter. Aufgrund der Häufigkeit von
Druckpotenzialunterschieden ist eine Mischung von verschiedenen Grundwässern bei unzureichender Abdichtung im Vergleich zur Artesik jedoch wahrscheinlicher.
Die Tabelle „Gefährdungspotenziale-Auswirkungen“ (s. Anlage 2 im Anhang) soll den Zusammenhang von Gefährdungspotenzialen zu bekannten Auswirkungen verdeutlichen.
Dabei ist zu erkennen, dass z. B. eine bekannte Auswirkung durch mehrere Gefährdungspotenziale verursacht werden kann. Jedoch können damit nur Tendenzen aufgezeigt werden.
Die bisher am häufigsten beobachteten Auswirkungen sind: Wasseraustritte (oft in Verbindung mit Artesik), Korrosionsprobleme an Wärmetauschern (in der Regel bei Wasser/Wasser Wärmepumpenanlagen) und Vereisungen (in der Regel verursacht durch
Dimensionierungsfehler).
In Anlage 3 wird tabellarisch aufgezeigt, welche Auswirkungen bei welchen Anlagentypen
bekannt geworden sind.
6
Auswirkungen tiefengeothermischer Anlagen
Jedes geothermische Vorhaben hat Auswirkungen, wobei zu unterscheiden ist zwischen
denen, die als Folge des Vorhabens erwartet und akzeptiert werden, und solchen, die unerwartet eintreten oder nicht akzeptiert werden. Eine unerwartete Auswirkung beruht in der
Regel auf der Abweichung eines erreichten Zustandes vom angestrebten Zustand, welcher
z. B. nach dem Stand von Wissenschaft und Technik oder nach sonstigen Vereinbarungen
festgelegt ist.
Im vorliegenden Kapitel werden bei den bekannten Auswirkungen nur diejenigen aufgeführt,
die bei der Nutzung der Tiefengeothermie in Deutschland aufgetreten sind. Neben den Auswirkungen auf Dritte (Umwelt, Personen etc.) werden in diesem Kapitel auch Auswirkungen
auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage betrachtet. Aussagen zum seismischen Risiko werden
bis zum Vorliegen fundierter Erkenntnisse der seismologischen Fachwelt zurückgestellt.
Das Risiko ist das Produkt aus Eintrittswahrscheinlichkeit eines Ereignisses und dessen
negative Auswirkungen (Abweichung von gesteckten Zielen). Die negativen Auswirkungen
einer Tätigkeit können mit einem (wirtschaftlichen) Schaden verbunden sein. Ein Teil der in
diesem Kapitel genannten Risiken treffen auf jede Tiefbohrung zu.
37
6.1
Risiken durch unerwartete geologische Verhältnisse
Beschreibung:
Dieser Begriff wird besonders im Bereich der Kohlenwasserstoff-Exploration verwendet. Er
beinhaltet die Frage, ob bestimmte geologische Untergrundstrukturen und -verhältnisse, die
in der Regel aus seismischen Untersuchungen bzw. benachbarten Bohrungen abgeleitet
worden sind, tatsächlich existieren. Das Fündigkeitsrisiko (siehe Kapitel 6.2) wird von manchen Autoren als Teil der unerwarteten geologischen Verhältnisse betrachtet.
Beispiele:
Zum geologischen Risiko beim Bohren gehört z. B. das Auftreten von unerwarteten
- Schichten / Gesteinen / Fazies / Störungen,
- Temperaturen / Gebirgsdrücken oder
- Gasen / Fluiden.
Bekannte Auswirkungen:
Als bekannte Auswirkungen sind Ausspülungen und Setzungen beim Setzen der Ankerrohrtour zu nennen. Weiterhin können Spülungsverluste und Verdriftungen Setzungen und Verunreinigung des Grundwassers hervorrufen. Ein falsches Einschätzen von
überhydrostatischen Drücken kann zum Festwerden der Bohrung führen. Als weitere Auswirkung ist das Zufallen des (offenen) Bohrlochs nach Fertigstellung der Bohrung bekannt.
Unerwartete geologische Verhältnisse führen bei falscher Behandlung meist auch zu bohrtechnischen Problemen.
Gefährdungen:
Kohlenwasserstoffe (Gasausbruch, Ölausbruch bzw. CO2, H2S); verringerte Standsicherheit.
Maßnahmen:
Gründliche geologische und seismische Vorplanung und Exploration.
6.2
Fündigkeitsrisiko
Beschreibung:
Das Fündigkeitsrisiko bei geothermischen Bohrungen ist das Risiko, ein geothermisches
Reservoir mit einer (oder mehreren) Bohrung(en) in nicht ausreichender Quantität oder
Qualität zu erschließen.
Die Quantität wird über die (thermische) Leistung definiert, die mit Hilfe einer oder mehrerer
Bohrungen erreicht werden kann.
Unter Qualität versteht man im Wesentlichen die Zusammensetzung (Chemismus) des
Fluids. Es könnten Bestandteile im Fluid auftreten (Gase, Salinität, o. ä.), die bei einem
Überschreiten von Grenzwerten eine geothermische Nutzung ausschließen oder erschweren. Alle bisher bei geothermischen Bohrungen in Deutschland angetroffenen Wässer galten
hinsichtlich ihrer Zusammensetzung für geothermische Nutzung, zwar mit unterschiedlichem
technischen Aufwand, als beherrschbar.
Ab welchem Wert die Quantität (und Qualität) nicht ausreichend (ökonomisch nicht akzeptabel) ist, wird durch den Projektentwickler / Investor festgelegt; hierbei spielen vor allem
betriebswirtschaftliche Überlegungen eine Rolle.
Beispiele:
Nicht fündige „trockene“ Bohrungen. Es werden Horizonte angetroffen, die aufgrund der
Fazies / Diagenese eine zu geringe Produktivität aufweisen (kann sekundär durch Stimulation wieder erhöht werden).
38
Auswirkungen nur wirtschaftlicher Art für den Betreiber, nicht auf andere Nutzungen oder
Schutzgüter.
Gefährdungen:
Keine; aber finanzieller Schaden für den Betreiber.
Maßnahmen:
Es gibt in Deutschland die Möglichkeit, das Fündigkeitsrisiko privatwirtschaftlich abzusichern.
6.3
Bohrrisiko
Beschreibung:
Unter dem Bohrrisiko werden alle technischen Risiken, die der Bohranlage und dem Bohrprozess zugeordnet werden können, zusammengefasst.
Beispiele:
-
-
Durchspüler, Verbinderbruch: kann zum Verlust des Bottom Hole Assembly (BHA) führen, was Fangarbeiten oder einen Sidetrack zur Folge hat,
Absturz Liner (Linerhanger falsch gesetzt/belastet),
Verrohrungsschäden (doglegs, Casings unzureichend in Spannung gezogen, Casingcollaps durch Temperaturausdehnung, falsch geschnittene und undichte Gewinde, fehlerhafte Zementation),
Sondenverluste bei Wireline-Messungen,
Beschädigung einer benachbarten Bohrung durch Perforationsarbeiten.
Auswirkungen nur wirtschaftlicher Art.
Gefährdungen:
Maßnahmen:
Bohrrisiken treffen auf jede Tiefbohrung zu. Sie sind grundsätzlich Risiken des Auftraggebers, hierfür existieren entsprechende Versicherungen.
6.4
Betriebsrisiko (Dauerhaftigkeit)
Beschreibung:
Unter den Bergriff Betriebsrisiko fallen alle Veränderungen der Quantität (Förderrate, Temperatur) und Qualität (Zusammensetzung) des Fluids während der geothermischen Nutzung
der Bohrung. Dazu zählen auch Veränderungen an den technischen Anlagen im geothermischen Kreislauf, die durch das Fluid direkt oder indirekt verursacht werden. Zum Betriebsrisiko gehört auch, dass die Energiebereitstellung sich wesentlich verändert. Während der
Betriebsdauer sollen die Förderrate und die Fördertemperatur nicht wesentlich absinken.
Eine Voraussetzung hierfür ist ein hinlänglich ausgedehntes Reservoir und ein Ausschluss
einer Beeinträchtigung durch Nachbaranlagen.
Beispiele:
Korrosion; Ausfällungen (Scaling).
Die Verschlechterung des Injektionsverhaltens (insbesondere durch Ausfällungen / Zementation, aber auch durch Temperaturabnahme möglich) bis zur Aufgabe der Förderbohrung
39
(Ersatz durch neue Förderbohrung bzw. Umrüstung zur tiefen Erdwärmesonde) und ein
Zusetzen des Filters führte dazu, dass die Wärmetauscherplatten nicht vom Hersteller im
Ausland erneuert werden konnten, da vom Zoll eine zu hohe Radioaktivität festgestellt und
eine Ausfuhr untersagt wurde. Diese Verschlechterung hatte wirtschaftliche Risiken zur
Folge.
Gefährdungen:
Anfall radioaktiv belasteter Anlagenteile, Scales, die möglicherweise gesondert entsorgt
werden müssen.
Maßnahmen:
Einsatz von Inhibitoren, Abschluss von Sauerstoff, Druckbeaufschlagung, Monitoring.
6.5
Betriebstechnisches Risiko
Beschreibung:
Zusätzlich zu den geogen bedingten Risiken während des Betriebes können rein technisch
bedingte Risiken vorhanden sein. (Eine eindeutige Trennung ist oft nicht möglich.)
Beispiele:
-
Umwälzpumpenausfall, Absturz der Umwälzpumpe (Entschrauben der GFK-Steigrohre
durch das hohe Pumpendrehmoment beim Anfahren),
Undichtigkeiten im Primärkreislauf bzw. in den Wärmetauschern,
Gasgefährdung (erhöhte H2S-Konzentrationen),
Abriss der Schutzrohrtour.
Die zeitweilige Stilllegung der Anlage sowie betriebstechnische Schäden haben i.d.R. wirtschaftliche Schäden zur Folge.
Gefährdungen:
6.6
Risiken für die Umwelt
Es wird auf eine in FRICK et al. (2007) veröffentlichte ausführliche Untersuchung verwiesen,
die im Auftrag des Umweltbundesamt (UBA) durchgeführt wurde.
Beispiele:
-
Entsorgung von Bohrspülung (mit hohen organischen Anteilen), von Pumpversuchswässern und von Kühlwasser (mit Enthärtern, Bioziden und Antikorrosionsmitteln etc.);
Kühlwasserbedarf bei geothermischer Stromerzeugung.
Belastung des Abwassersystems.
6.7
Seismisches Risiko
In Deutschland haben 29 tiefengeothermische Anlagen eine installierte Leistung von mehr
als 1 MWth (Anlagen zur Nah- und Fernwärme- und zur Stromproduktion). Davon sind bisher
bei 3 Anlagen (Landau, Insheim, Unterhaching) an der Oberfläche spürbare mikroseismische
Ereignisse gemessen worden (siehe Anlage 4). Darüber hinaus hat die hydraulische Stimulation in Basel (Schweiz) zu Erschütterungen geführt, die auch in Deutschland gespürt wurden.
Beschreibung:
40
Unter Umständen können besonders in Gebieten mit natürlicher Seismizität, wie z. B. im
Oberrheingraben, bei Stimulationsmaßnahmen induzierte seismische Ereignisse ungewollter
Stärke auftreten. Es besteht die Möglichkeit, dass die entstehenden Erschütterungen die
Wahrnehmbarkeitsschwelle an der Erdoberfläche überschreiten.
Die induzierte Seismizität hängt von der Bruch- bzw. Scherfestigkeit des Untergrundes (Kristallin oder Sediment), den tektonischen Spannungen, regionalen seismotektonischen Charakteristika, der Größe des stimulierten Risssystems und in der Praxis auch von
Injektionsdrücken und Fließraten ab. Auch beim Betrieb geothermischer Anlagen sind mikroseismische Ereignisse gemessen worden.
Beispiele:
Basel (nicht in Deutschland, aber in Deutschland gespürt), Insheim, Landau, Unterhaching.
Eine Zusammenstellung der Erdbeben in der Nähe tiefer geothermischer Bohrungen, bei
denen Erschütterungen an der Erdoberfläche verspürt wurden, ist als Anlage 4 im Anhang
beigefügt.
Kurzzeitig spürbare Erschütterungen; manchmal verbunden mit einem Knallgeräusch.
Gefahren:
DIN 4150 Teil 1 bis 3 beschreibt Erschütterungen im Bauwesen in Bezug auf die Vorermittlung von Schwingungsgrößen, Einwirkungen auf den Menschen sowie auf die bauliche Anlage. Eine Gefahr für Wohngebäude besteht nach DIN 4150 nur dann, wenn die
Bodengeschwindigkeit über 5 mm/s liegt (und damit die Spürbarkeitsschwelle um etwa das
10fache überschritten wird).
Maßnahmen:
In Deutschland wird die Aufsuchung und Gewinnung von Erdwärme durch das Bundesberggesetz geregelt. Bau und Betrieb der Geothermiekraftwerke unterliegen nicht dem Bergrecht.
Für die Zulässigkeit der Aufsuchung und Gewinnung sind die §§ 55 i.V.m. 48 Bundesberggesetz maßgeblich, die auch den Schutz Dritter regeln. Schäden im Sinne des Bergrechtes
sind nach jetzigem Kenntnisstand nur beim seismischen Risiko zu erwarten.
Nach dem Stand von Wissenschaft und Technik können spürbare seismische Ereignisse bei
tiefengeothermischen Anlagen auftreten.
Es wurden zwei Forschungsprojekte mit einzelnen Teilprojekten zur Untersuchung der induzierten Seismizität aufgenommen, die nachfolgend zur Übersicht mit ihren Einzelprojekten
genannt werden:
•
Mikroseismische Aktivität Geothermischer Systeme (MAGS), koordiniert durch die BGR
und gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU):
-
Einzelprojekt 1: Quantifizierung und Charakterisierung des induzierten seismischen
Volumens im Bereich Landau, Südpfalz, PD Dr. Joachim Ritter, Karlsruher Institut für
Technologie (KIT), Geophysikalisches Institut.
-
Einzelprojekt 2: Untersuchung von Mikro-Erdbeben in der bayerischen Molasse im
Umfeld geothermischer Reservoire, Dr. Joachim Wassermann, Ludwig-Maximilians
Universität München, Department für Geo- & Umweltwissenschaften, Geophysik.
41
•
-
Einzelprojekt 3: Echtzeitauswertung induzierter Erdbeben und Gefährdungsabschätzung bei hydraulischen Stimulationen geothermischer Reservoire, Dr. Ulrich Wegler
und Dr. Christian Bönnemann, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
(BGR), Fachbereich B4.3: Seismologisches Zentralobservatorium, Kernwaffenteststopp.
-
Einzelprojekt 4: Untersuchung der seismischen Gefährdung aufgrund induzierter
Seismizität bei tiefer geothermischer Energiegewinnung, Dr. Thomas Spies und Dr.
Jörg Schlittenhardt, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR),
Fachbereich B4.4: Gefährdungsanalysen, Fernerkundung.
-
Einzelprojekt 5: Modellierung der Auftrittswahrscheinlichkeiten fluidinduzierter Erdbeben mit einer gegebenen Magnitude bei der Stimulation geothermischer Systeme,
Prof. Dr. Serge A. Shapiro, Freie Universität Berlin, Fachbereich Geowissenschaften,
Fachrichtung Geophysik.
-
Einzelprojekt 6: THMC gekoppelte Untersuchungen zu Mechanismen und freigesetzten Deformationsenergien der seismischen Ereignisse in der Reservoirstimulationsund Betriebsphase, Prof. Dr. Michael Z. Hou, Technische Universität Clausthal, Institut für Erdöl- und Erdgastechnik.
-
Nachträglich eingereichtes Einzelprojekt 7 (beantragt): Prognose der möglichen induzierten /getriggerten Seismizität im Kristallin in Auswertung der flutungsbedingten
seismischen Ereignisse im Bergbaurevier Aue/Schlema (tiefengeothermisches Vorzugsgebiet Aue), Prof. Dr. Heinz Konietzky, TU Bergakademie Freiberg, Institut für
Geotechnik, Lehrstuhl Felsmechanik.
Geothermal Engineering Integrating Mitigiation of Induced Seismicity in Reservoirs
(GEISER) unter Federführung des Geoforschungszentrum Potzdam (GFZ) und gefördert
durch die EU.
Das von der Europäischen Kommission geförderte Projekt GEISER wird vom Internationalen GeothermieZentrum am GFZ koordiniert. Die Ziele des Projektes sind: Analyse induzierter Seismizität geothermischer Reservoire verteilt über ganz Europa,
Verständnis der Geomechanik und der Prozesse bei induzierter Seismizität, eine Einschätzung der Konsequenzen induzierter Seismizität und die Entwicklung von Strategien zur Handhabung induzierter Seismizität. Die Abschwächung induzierter
Seismizität auf ein akzeptables Niveau ist die wesentliche Absicht der Projektbeteiligten (aus GFZ 2010, Internet).
-
WP1: Project Management. GFZ.
-
WP2: Compilation of induced seismicity data from geothermal sites. ISOR.
-
WP3: Analysis of Induced Seismicity. GFZ.
-
WP4: Understanding the Geomechanical Causes and Processes of Induced
Seismicity. BRGM.
-
WP5: Seismic Hazard Assessment. ETHZ.
-
WP6: Strategies for EGS operations with respect to Induced Seismicity (Mitigation). TNO.
-
WP7: Dissemination. BRGM.
Im Rahmen dieser Vorhaben sollen u. a. Verfahren entwickelt werden, durch die beim Betrieb geothermischer Anlagen spürbare seismische Ereignisse minimiert werden können.
42
7
Zusammenfassung und Fazit
7.1
Erkenntnisse aus der Aufgabenstellung
Nach einer Umfrage bei den Staatlichen Geologischen Diensten in der Bundesrepublik
Deutschland (SGD), nach mehreren Beratungen und sorgfältigen Bewertungen der Sachverhalte hat der Personenkreis Geothermie den vorliegenden Sachstandsbericht verfasst. Dieser Bericht beleuchtet die bislang bekannten Auswirkungen und deren Ursachen. In dem
engen zeitlichen Bearbeitungszeitraum konnten der Status erhoben und die kausalen Zusammenhänge von den bekannten Auswirkungen herausgestellt werden.
Beginnend mit der Beantwortung der bundesweiten Umfrage haben sich alle SGD intensiv
an der Bearbeitung beteiligt, der Rücklauf betrug 100%. Der Fragenkatalog (siehe Anlage 1)
umfasste mehr als 40 Fachfragen zum Themenkreis der Erdwärmenutzung und ihren bislang
bekannten Auswirkungen, die sich auf die Sachgebiete der Geologie, Hydrogeologie, Geotechnik und auf die Kenntnisnahme sowie auf Beteiligung der SGD im Rahmen der Genehmigungsverfahren bezogen.
Die Umfrage hatte das Ziel, die bisherigen Erkenntnisse abzufragen und gleichzeitig Fachleute für die Mitarbeit in einem Personenkreis Geothermie zu gewinnen. Alle SGD haben
Fachleute in den PK Geothermie entsandt. Um Erfahrungen und Informationen gleichzeitig
ressortübergreifend auszutauschen, waren bei den Beratungen Vertretungen des BLAG
KLINA und LAWA anwesend.
7.2
Bislang bekannte Auswirkungen
Den SGD ist ein Spektrum an Auswirkungen, die durch den Einbau oder/und Betrieb geothermischer Anlagen verursacht bzw. ausgelöst werden, zur Kenntnis gelangt oder bei eigenen Arbeiten bekannt geworden.
Alle Bohrungen, dazu gehören auch Bohrungen zum Zweck der Erdwärmenutzung, sind
Eingriffe in den geologischen Körper, deren Auswirkungen im Vorfeld abgeschätzt und die
von den zuständigen Behörden genehmigt werden. Bohrungen können zu temporären,
manchmal auch zu irreversiblen Veränderungen des ursprünglichen Zustandes führen. Mit
steigender Anzahl von Bohrungen sind mehr unerwartete Auswirkungen zu befürchten.
Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Anlagen im oberflächennahen Bereich und in der
Tiefengeothermie sowie der unterschiedlichen Dimensionen von Auswirkungen ist es notwendig, die Gefährdungspotenziale „oberflächennaher“ und „tiefer“ Erdwärmenutzungen
getrennt zu beschreiben. Details sind in den Fachkapiteln nachzulesen.
Die Auswirkungen von oberflächennahen Anlagen betreffen in den meisten Fällen das
Schutzgut Grundwasser. Das Ausmaß der Auswirkungen auf das Grundwasser sowie die
dadurch verursachten Beeinträchtigungen sind regional sehr unterschiedlich, in ihrer Gesamtheit schwer abschätzbar oder gar bezifferbar.
Neben nachteiligen Auswirkungen auf das Grundwasser können auch nachteilige Auswirkungen an der Erdoberfläche auftreten. Diese können, wie z. B. Arteser, eine beherrschbare
und damit zeitlich begrenzt nachteilige Auswirkung darstellen. Vereinzelt sind aber auch
durch Vorarbeiten und beim Betrieb geothermischer Anlagen Auswirkungen größeren Ausmaßes aufgetreten. Hier sind Vorhaben in den Orten Staufen (BW) und Kamen (NW) zu
nennen.
Die kausalen Zusammenhänge, weshalb es zu nachteiligen Auswirkungen kommt, sind
vielschichtig. Sie reichen von komplexen geologischen Verhältnissen bis hin zu mangelnden
Qualifikationen der ausführenden Unternehmen. Die Analyse der bislang bekannten AuswirPK Geothermie, Februar 2011
43
kungen durch den PK Geothermie zeigt, dass in den meisten Fällen eine Kombination mehrerer Gefährdungspotenziale zu unerwarteten Auswirkungen führen. Hierbei spielen häufig
menschliche Komponenten eine Rolle, wie z.B. eine nicht angepasste Planung an die geologischen Verhältnisse oder eine unsachgemäße Ausführung.
Zu den standortbezogenen, nicht beeinflussbaren und risikobehafteten Untergrundverhältnissen gehören u. a. die Beispiele: Schichtkomplexe mit stark wechselnden lithologischen
Eigenschaften, Grundwasser-Stockwerksbau, Verkarstung, geologische Störungszonen,
natürliche Gasvorkommen, artesische Verhältnisse und Altbergbau.
Die Ursache für eine mangelnde Beachtung der geologischen Verhältnisse liegt unter anderem in der Unwissenheit von Planern und Bohrunternehmen, wie sie an Daten zum Untergrund gelangen sowie an den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, Erdwärmebohrungen
als immer günstiger und schneller anzubieten.
Im Kapitel „Auswirkungen tiefengeothermischer Anlagen“ wird auf laufende und umfangreiche Forschungsprojekte verwiesen („MAGS - Konzepte zur Begrenzung der mikroseismischen Aktivität bei der energetischen Nutzung geothermischer Systeme im tiefen
Untergrund" und „Geothermal Engineering Integrating Mitigiation of Induced Seismicity in
Reservoirs“). Der PK Geothermie geht davon aus, dass die Ergebnisse und Folgerungen aus
den Forschungsprojekten Auswirkungen auf die Planung und den Betrieb tiefengeothermischer Vorhaben zeigen werden.
7.3
Nutzen von Synergien
In einigen Ländern wurden bereits „Bewertungskarten“ für den Einbau und Betrieb von Erdwärmeanlagen unter hydrogeologischen und wasserwirtschaftlichen Aspekten erarbeitet.
Hier besteht die Möglichkeit Erfahrungen auszutauschen und Vorsorge zu treffen. Die SGD
können Synergien nutzen, um relevante Daten, z. B. in Form von Themenkarten, aufzubereiten und vorzuhalten. Eine homogene Vorgehensweise bei der Bewertung und Darstellung
solcher Themenkarten bewirkt eine breitere Akzeptanz.
Einen großen Informationsgewinn versprechen auch der Aufbau und die Pflege von „Erdwärmeanlagenkatastern“. Sie können in Kombination mit dem Auftrag zu Bohrungserfassung
im Rahmen der staatlichen Aufträge zum Führen von Bohrungsarchiven mit geringem Mehraufwand erstellt werden. Inhaltsumfang und Strukturen der „Erdwärmeanlagenkataster“
hängen daher mit den Strukturen der bereits installierten Bohrungsdatenbanken in den jeweiligen Ländern zusammen. Empfehlenswert sind hierbei der strukturierte und auf ein Mindestmass reduzierte Datenfluss von den Genehmigungsbehörden an die SGD sowie die
strikte Anwendung des Lagerstättengesetzes.
In fast allen Ländern existieren bereits Leitfäden für die Erdwärmenutzung, in denen aus
meist wasserwirtschaftlicher Sicht die wichtigsten Vorgehensweisen einer richtigen Planung,
eines sicheren Einbaus sowie ein unschädlicher Betrieb von Erdwärmeanlagen beschrieben
und empfohlen werden. Leitfäden haben in einigen Ländern bereits durch eine konsequente
Gesetzgebung Rechtskraft erhalten. Hier könnten bundesweit noch Fortschritte erzielt werden.
Aus diesem Grund erscheint es dem PK Geothermie wichtig, dass die Leitfäden regelmäßig
an den Stand der Technik und die Bewertungskarten dem Wissensstand der SGD angepasst
werden.
Eine kompetente und geowissenschaftliche fundierte Beratung für die Nutzung von Erdwärmesonden bedarf auch für den tieferen Untergrund bis deutlich über 100 m Tiefe einer dichten Datenbasis. Daher ist von den SGD immer Sorge zu tragen, dass neue Untergrunddaten
von den ausführenden Unternehmen eingefordert und in die jeweiligen Informationssysteme
eingepflegt werden. Um einen annährend vollständigen Datenfluss zu erreichen, sollten alle
44
behördlichen Möglichkeiten ausgeschöpft werden, die das Lagerstättengesetz bietet. Eine
enge Zusammenarbeit und Absprache mit den Bergbehörden als vollziehende Kraft kann
diese Forderung erleichtern.
7.4
Die Rolle der SGD
Die SGD stehen maßgeblich in der Verantwortung, die Bereitstellung von aufbereiteten
Untergrunddaten voranzutreiben, um Gefährdungspotenziale durch Erdwärmenutzungen zu
vermeiden, aber auch um ausgelöste Auswirkungen durch Beratung zu mindern. Dazu führen die SGD im Rahmen ihres staatlichen Auftrages die umfangreichsten geologischen und
hydrogeologischen Datenbestände in den Ländern und bewerten diese oft heterogenen
Daten in Bezug auf die in dem Bericht dargestellten Gefährdungspotenziale.
Durch ihre kompetente Beratung leisten die SGD einen wichtigen Beitrag zur Förderung
eines umweltbewussten und sicheren Umganges der Erdwärmenutzung und dadurch zum
Klimaschutz. Zukunftsorientiert wäre eine länderübergreifend abgestimmte, einheitliche und
geowissenschaftliche begründbare Beratungspraxis, eine noch engere Zusammenarbeit der
betroffenen Behörden.
Das Fachwissen der Staatlichen Geologischen Dienste trägt schon heute erfolgreich dazu
bei, das Gefährdungspotenzial von Geothermie- (und anderen) Bohrungen in den Bundesländern zu mindern. Fachkompetenz über den Untergrund und Know how zu neuen Techniken wirken sich positiv auf die Sicherheit der Erdwärmenutzung und daher auch auf die
Schutzgüter Grundwasser, Untergrund, Umwelt und Eigentum aus.
45
8
Literatur
Anahnostou, G. (1992): Untersuchungen zur Statik des Tunnelbaus in quellfähigem Gebirge.
– Veröffentlichung des Instituts für Geotechnik der ETH Zürich, Band 201, August 1992.
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bei
Erdwärmesonden
–
Schlussbericht
2006.
(Download:
www.bfe.admin.ch/dokumentation/energieforschung/index.html?lang=de&project=99995)
Bell, K.J., Mueller A.C. 2001: Wolverine Engineering Data Book II, Chapter 1.6: Fouling in
Heat Exchangers S. 46-57, Wolverine Tube Inc.
DVGW (2008) :DVGW – Positionspapier „Erdwärmenutzung in Trinkwassereinzugsgebieten,
Stand 10.11.2008.
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großräumigen Umwelteffekte einer geothermischen Stromerzeugung. - Endbericht, Forschungsprojekt FKZ 205 42 110 im Auftrag des Umweltbundesamtes; Leipzig.
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Produktkatalog zur wirtschaftlichen Anwendung oberflächennaher geothermischer Daten.
- Bericht des Personenkreises Oberflächennahe Geothermie (PK OG) der Ad-hoc-AG
Hydrogeologie an den Direktorenkreis der Staatlichen Geologischen Dienste und den
Bund-Länder-Ausschuss-Bodenforschung, 44 S. - Informationen aus den Bund-/ LänderArbeitsgruppen der Staatlichen Geologischen Dienste. - Wiesbaden; unveröff. Bericht].
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46
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Projekte – eine Erhebung im Auftrag des Bund-/Länder-Ausschusses Bodenforschung
(BLA-Geo). – Schr.-R. GDMB, 123: 69 – 78, 3 Abb., 1 Tab.; Clausthal-Zellerfeld.
Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen und über Fachbetriebe (Anlagenverordnung – VAwS).
Wittke, M., Wittke-Gattermann, P., Wahlen, R.(2007): Möglichkeiten der Optimierung des
Tunnelbaus im quellfähigen Gipskeuper durch Berücksichtigung der Selbstabdichtung. –
Zeitschrift Geotechnik 4/2007.
Wrede, V.; Steuerwald, K.; Dölling, M.; Lenz, A.; Hiß, M.; Schäfer I.; Heuser, H.; Lehmann, K.
(2010): Die Bohrungshavarie Kamen-Wasserkurl aus geowissenschaftlicher Sicht. –
Schr.-R. GDMB, 123: 53 – 67, 4 Bilder, 2 Abb.; Clausthal-Zellerfeld.
47
9
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 5-1: Gefährdungspotenzial Grundwasserstockwerksbau und Artesik. .................9
Abbildung 5-2: Gips- und Anhydritvorkommen im Gips-Keuper. .........................................12
Abbildung 5-3: Gips- und Anhydrit-Vorkommen im Gips-Keuper. .......................................12
Abbildung 5-4: Artesischer Grundwasseraustritt mit Ausspülung von Feinmaterial. ...........17
Abbildung 5-5: Artesischer Grundwasseraustritt einige Meter neben einer EWS-Bohrung. 17
Abbildung 5-6: Verwilderter Arteser in Wiesbaden. .............................................................18
Abbildung 5-7: Verockerung einem Schluckbrunnen...........................................................19
Abbildung 5-8: Reale geologische Situation in Sachsen-Anhalt – Verschleppung eines
Schadstoffs in den GWL durch den Bohrvorgang. ......................................21
Abbildung 5-9: Hebungsrisse an Gebäuden in Staufen i. Br. ..............................................25
Abbildung 5-10: Senkungen und Hebungen verursacht durch eingefrorene Zuleitungen ........
einer Erdwärmesondenanlage.....................................................................26
Abbildung 5-11: Schema Verbruch durch Karst- und Bergbauvorkommen. ..........................28
Abbildung 5-12: Schematische Darstellung der geologischen Situation in Kamen-Wasserkurl........29
Abbildung 5-13: Setzung infolge Frostbildung in der Erdwärmesondenbohrung ..................30
Abbildung 5-14: Verschmutzung eines Oberflächengewässers infolge einer ...........................
überlaufenden Spülwanne. ..........................................................................31
Abbildung 5-15: Eintrübung eines Oberflächengewässers. ...................................................32
Abbildung 5-16: Verschmutzung eines Grundstücks durch unkontrolliertes Ableiten von
Bohrspülungswasser inkl. bohrlochstabilisierender schäumungsaktiver
Substanzen..................................................................................................33
Abbildung 5-17: Verschmutzung von Grundstücken durch das Austreten
wassergefährdender Stoffe (Maschinenöl) durch das Bohrgerät ...............33
10
Anlagenverzeichnis
Anlage 1: Auswertung der Umfrage bei den SGD ................................................................49
Anlage 2: Gefährdungspotenziale und bekannte Auswirkungen geothermischer Vorhaben 56
Anlage 3: bekannte Auswirkungen bei verschiedenen Anlagetypen ....................................57
Anlage 4: Erdbeben in der Nähe tiefer geothermischer Bohrungen, bei denen
Erschütterungen an der Erdoberfläche verspürt wurden ......................................58
48
Anlage 1: Auswertung der Umfrage bei den SGD
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
1
Sind dem SGD Unregelmäßigkeiten,
Vorkommnisse oder Unfälle bei Geothermiebohrungen bekannt?
Ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
13
1
/
2
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 1 und 2
2
Kann der SGD auch auf weitere
Informationen anderer Behörden zurückgreifen?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
15
0
/
1
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 1, 2, 3
3
Wenn ja, welche Behörden/Einrichtungen?
Klartext
Auflistung der Rückmeldungen aus den Ländern (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):
Wasserbehörden, Wasserwirtschaftverwaltung, Landesumweltämter, Umweltämter, Staatliche Ämter für Umwelt und Naturschutz, Landratsämter, Bergdirektion, Bergbehörde, Bergaufsicht, Intranet-Netze der Landesverwaltung, Bezirksregierungen, Vollzugsbehörden,
Brunnenbaufirmen, Ingenieurbüros, Universitäten, Medien
4
Sind dem SGD landestypische Gefahrenpotenziale bekannt?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
15
/
1
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 5 und 6
5
Wenn ja, welche? Klartext
Artesik, artesische und stark gespannte Grundwasserleiter, bes. hydrostatische Druckverhältnisse, Versalzung des Hauptgrundwasserleiters, Salzwasserintrusionen, Salzstöcke mit
Gipshut, Salinartektonik, Salzwasser mit Einfluss auf Spülung und Zementation, Anhydritund Gipsvorkommen und Tonmineralquellung, Quelltone (Bentonite, montmorillonithaltige
Tone), Fliessande, Störungszonen, geogene Ausgasungen, Antreffen von Gas, CO2Aufstieg, Methanausgasung, Karsthohlräume, Verkarstung, Hohlräume im Kalk/Sulfatgestein, Stockwerksbau, Altlasten, GW-Verunreinigungen, Ökologische Großprojekte vorhandene GW-Kontamination, Hangrutsch-Risiko, Seismizität, Bergbau / Altbergbau,
verfüllte Restlöcher (Tagebaue) bzw. Kippenflächen, ehem. Erzbergbaugebiete
49
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
6
Geogene Gefahrenpotenziale besonderer
Schichtfolgen?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
13
2
/
1
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 4 und Kap. 5.1
7
Wenn ja, welche stratigraphischen
Abschnitte (Aufzählung / Abk. erlaubt)?
Klartext
Quartär: Salzwasserführung oder Artesik, Stabilität des Elbhanges, Fliesssande, Quelltone,
seismisch aktive Störungsbereiche
Tertiär: Salzwasserführung oder Artesik im Rupel (Unter-Oligozän), schwebende Grundwasserstockwerke in der Molasse, Auftreten von Quelltonen, Braunkohlenflöze, gleichförmige
Sande, Tone, Störungszönen
Kreide: Schreibkreide und Kalksteine , Erdfälle, artesisches GW-Verhältnisse, Verkarstung,
Schichtverstellungen an Störungen, Soleaufstieg,
Jura: im Malm, örtlich Gips-/Anhydrit und Salz; Kalk- und Mergelsteine (Erdfälle, artesisches
GW-Verhältnisse, Verkarstung, Lösung, Ausfällung), Störungen, im Lias, der Posidonienschiefer enthält wie die Ölschiefer bituminöse Bestandteile und kann bei Wärmezufuhr
„Schieferöl“ freisetzen.
Trias: In der alpinen Obertrias Raibler Schichten (Verkarstung und Auslaugung der Kalkund Dolomitsteine mit Salz- und Gipseinschlüssen, z. T. aber auch Stau- und Quellhorizonte), In der germanischen Trias im Unteren und Oberen Gipskeuper, besonders im Gipskeuper (km1) (Grundgips, z. T. im Sandsteinkeuper; im Muschelkalk: Muschelkalksteine (z.T.mu,
mm-mo) Sulfat- bzw. Gipsführung, Verkarstung; im Buntsandstein: Gips- und Anhydritsteine
im Ob. Buntsandstein (Röt)
Perm: In der Zeit des Skythium entstand im Alpenraum das Haselgebirge aus einem Mischgestein, das aus Tonmineralen, Sandstein, Anhydrit, Steinsalz und Nebensalzen besteht. Im
norddeutschen Becken entstanden im Zechstein Wechsellagerungen aus Stein-, z.T. KaliSalz, Gips- und Anhydrit-, Kalk- und Tonstein sowie Plattendolomit, z. T. sind in Norddeutschland Salzdiapire (oberflächennah)
Karbon: im Unterkarbon Kohlenkalkstein, Verkarstung, Störungen, Steinkohle im Oberkarbon, Methan, oberflächennaher Bergbau
Devon: Kalksteine des Devons, Riffkarbonatgesteine als Linsenkörper mit Verkarstung,
Störungen
Silur: Keine Meldungen
Ordovizium-Zeit: Grießbach-Formation (Karbonatgesteine), Herold-Formation Phyllite mit
Karbonatgesteinen,
Kambrium-Zeit: Raschau-Formation (Karbonatgesteine und Dolomitmarmor)
Präkambrium-Zeit: Marmore des Präkambriums
50
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
8
Wurden nicht beabsichtigt größere
Störungen und/oder Hohlräume erbohrt?
Ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
8
4
/
4
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 5.1
9
Kam es zu unvorhergesehenen Ausgasungen, Ausbläser, Verpuffungen
(CO2, H2S, CH4, andere KW)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
4
6
/
6
10
Gab es Vorkommnisse durch nicht
erwartete Schichtenfolgen und/oder Mineralbildungen?
ja
3
nein
6
keine Angabe /
nicht bekannt
7
11
Wurde induzierte Seismizität erzeugt?
ja
2
nein
12
keine Angabe /
nicht bekannt
2
Anm. der Redaktionsgruppe: siehe Kap. 6
12
Sind weitere nicht genannte geogene Gefahrenpotenziale bekannt? Klartext
lokale Verkarstung; setzungsempfindliche Sedimente; rutschgefährdete Gebiete; bes. hydrostatische Druckverhältnisse im südl. Molassebecken; lokale hydrochemische GrundwasserBeschaffenheit; Aufstieg von Sole oder Thermalwasser
13
ja
8
Kam es zu "Kurzschlüssen" zwischen
nein
0
einem oder mehreren Grundwasserleitern
keine
Angabe
/
oder Grundwasser-Stockwerken?
nicht bekannt
8
51
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
14
Traten nicht erwartete artesische Druckverhältnisse, besondere Druckgradienten,
hydrodynamische Vorkommnisse (Karst /
Stockwerksbau) auf?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
12
2
/
2
15
Kam
es
zu
Veränderungen
des
Grundwasser-Chemismus
(z. B. Versalzung, Mineral- und Salzwasseraufstieg)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
3
1
/
12
16
Traten bei Geothermiebohrungen Veränderungen der Permeabilität oder der Gebirgstemperatur auf?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
1
3
/
12
17
Sind Ihnen Beeinträchtigungen an Grundwassermess- und Entnahmestellen bekannt (Trübung, Verkarstung, Verkeimung,
etc.)?
ja
3
nein
6
keine Angabe /
nicht bekannt
7
18
Gab es Beeinträchtigungen in Einzugsgebieten von Trinkwasser- und Heilquellenschutzgebieten, in Mineral- und
Thermalwasserbrunnen?
ja
1
nein
4
keine Angabe /
nicht bekannt
11
19
Wurden Hohlräume wegen nicht bekannten, nicht dokumentierten, oder wegen
"wilden Altbergbaus" erbohrt?
ja
2
nein
7
keine Angabe /
nicht bekannt
7
20
Kam es zu Geländeveränderungen oder
Baumängeln im Umfeld von Geothermiebohrungen
(Hebungen / Senkungen / Risse)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
7
4
/
5
52
Nr.
21
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
Sind weitere nicht genannte geologische /
hydrogeologische Gefahrenpotenziale
bekannt? Klartext
Eintrübung von Oberflächen-Gewässern durch Bohrspülung
22
Gab es Schadensfälle beim Bohrvorgang
bis zur Aufgabe der Bohrung
(Materialermüdung, Werkzeugverlust,
Bohrlocheinbruch)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
11
1
/
5
23
Kam es zu Schadensfällen nach dem
Bohren und vor der Inbetriebnahme von
Geothermieanlagen
(Beanstandungen durch Auftraggeber)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
7
0
/
9
24
Sind Ihnen Schadensfälle während des
Betriebs von Geothermieanlagen bekannt
geworden?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
4
5
/
7
25
Sind Projekte mit nicht ausgeglichenen
Wärmebilanzen der Anlagen bekannt
(Heizung im Verhältnis zur Kühlung)?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
7
0
/
9
26
Kam es zu nicht ausreichenden Ergiebigkeiten / zu Planungsfehlern?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
11
0
/
5
27
Sind Leckagen an Erdwärmesonden
bekannt?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
4
4
/
8
53
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
28
Sind Ihnen Abschaltungen wegen Gasdiffusionen bekannt?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
3
5
/
8
29
30
Wurden Anlagen außer Betrieb gesetzt
oder rückgebaut?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
9
2
/
5
Sind Ihnen weitere, nicht genannte,
technisch bedingte Gefahrenpotenziale
bekannt? Klartext
Fehlende o. unsachgemäße Verpressung der Bohrung führen zu hydrogeol. Kurzschlüssen;
fehlerhafte Leistung von Bohrfirma, unvollständige Verpressung; Beständigkeit der Abdichtung u. des Sondenmaterials, Flur- und Umweltauswirkungen (Ein-, Ableitung von Bohrspülungen); Frost-Tauwechsel-Unbeständigkeit; ungeeignetes Verpressmaterial, schlecht
ausgebildete/nicht zertifizierte Bohrmannschaft, nicht werkseitig verschweißte Sonden, keine
fachgerechte Planung/Auslegung von EWA, gegenseitige Beeinflussung bei Großanlangen
v.a. in grundwasserdurchströmten Bereichen (Heizen + Kühlen); Aufgabe der Sondenbohrung wegen starker Artesik, z. B. verwildernde Austritte.
31
Erhalten Sie im Vorfeld Informationen zu
geplanten Geothermie-Projekten?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
15
0
/
1
32
Sind Sie im behördlichen Verfahren
grundsätzlich beteiligt?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
10
5
/
1
ja
Erhalten Sie Kenntnis über den Beginn der nein
33
Geothermie-Bohrarbeiten?
keine Angabe
nicht bekannt
14
1
/
1
54
Nr.
Frage
Antwortmöglichkeit
Anzahl der
Rückmeldungen
34
Erhalten Sie Kenntnis von Erlaubnisbescheiden?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
14
1
/
1
35
ja
Erhalten Sie Schichtenverzeichnisse von nein
Geothermie-Bohrungen?
keine Angabe
nicht bekannt
15
0
/
1
36
Haben Sie Einfluss auf die Nebenbestimmungen der Genehmigung in Form einer
Stellungnahme?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
15
0
/
1
37
38
39
40
Sind Ihnen weitere, in dem Fragebogen
noch nicht benannte Gefahrenpotenziale
bekannt?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
Hat der SGD Maßnahmen ergriffen, um
Gefahrenpotenziale im Bundesland bekannt zu machen? (z. B. Ampelkarte für
Standortbeurteilung)
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
Gibt es in Ihrem SGD bereits Vorschläge,
die Gefahrenpotenziale bei
GT-Bohrungen zu minimieren?
ja
nein
keine Angabe
nicht bekannt
2
11
/
3
14
1
/
1
11
2
/
3
Sind Ihnen weitere nicht genannte Verfahrensbeteiligungen bekannt?
Klartext
Keine weitere Meldung aus den Bundesländern
41
ja
Sind Sie bereit eine/n Fachkollegen/in nein
in den PK Geothermie zu entsenden?
keine Angabe
nicht bekannt
14
1
/
1
55
Anlage 2: Gefährdungspotenziale und bekannte Auswirkungen geothermischer Vorhaben
Druckpotenzialunterschiede
Artesik
Stockwerksbau
Sulfathaltige Wässer
höher mineralisierte Wässer
Anhydrit
quellfähige Tone
Fließsande
Steinsalz
Karbonat-/ Sulfatkarst
Gasvorkommen
Störungs-/ Kluftzonen
Altbergbau / Hohlräume
Rutschungen, gefährdete Hänge
Kippen, Altlasten
Dimensionierungsfehler
unzureichende Abdichtung
nicht dauerhaft beständige Abdichtung
Bohrverfahren
Bohrausrüstung
Materialschäden
Mangelnde Qualifikation
geotechnisch / technisch / anthropogen
Anzahl der bekannten Auswirkungen*
hydrogeologisch / geologisch
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
geohydraulisch
Absenkung
Aufhöhung / Anstieg
Wasseraustritt
11
7
49
X
X
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
0
0
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
0
X
0
0
0
X
X
X
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
hydrochemisch
Mischung von Wässern
Ausfällungen
Lösung / Mobilisierung
Stoffeintrag (z.B. von Schadstoffen)
13
1
1
17
X
0
0
0
X
0
0
0
X
0
0
0
X
0
X
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
X
0
0
0
0
X
0
0
0
X
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
0
X
0
0
X
X
0
0
0
X
0
0
0
X
0
0
X
0
0
0
X
X
0
0
X
1.3
1.3.1
1.3.2
1.4
2
thermisch
Erwärmung
Abkühlung
biologisch
Auswirkungen auf den Untergrund
1
9
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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0
0
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
X
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
2
38
15
2
0
5
7
X
0
X
0
0
0
0
X
0
0
X
0
0
0
X
0
X
X
0
X
X
X
0
0
0
0
0
0
X
0
0
0
0
0
0
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0
0
0
0
0
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0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
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0
0
0
0
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0
0
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0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
X
X
0
X
0
0
0
X
0
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
X
0
X
0
X
X
0
X
0
X
X
X
X
0
X
0
X
0
X
X
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
X
0
X
0
16
24
0
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
X
0
X
X
0
0
X
X
2
17
42
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
X
0
0
0
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
X
0
X
Gefährdungspotenzial
Gefahrenpotenzial
Auswirkungen
1 Auswirkungen auf das Grundwasser
2.1
2.1.1
2.1.2
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3
3.1
3.2
4
4.1
4.2
4.3
Zusatz
Hebungen
Quellvorgänge, Mineralbildung
Vereisung
Setzungen
Suffosion
Rutschungen
Verbruch / Einbruch
Ausgasung
Auswirkungen auf die Umwelt
Verschmutzung von Oberflächengewässern
Verschmutzung von Grundstücken
Auswirkungen auf Anlagentechnik
Gasdiffusion in Pe-Sonde
Verockerung (des Schluckbrunnens)
Korrosion (z.B. Wärmetauscher)
Querschnittsverengung der Sonde
* die Anzahl der bekannten Auswirkungen ergibt sich aus der im Berichtszeitraum stattgefundenen Länderabfrage der SGD und Genehmigungsbehörden.
56
Anlage 3: bekannte Auswirkungen bei verschiedenen Anlagetypen
Anlagentypen
Auswirkungen
Kollektoren
Grubenwasser
((Alt-)Bergbau)
Sonden
Brunnen
1.1.1 Absenkung
x
x
1.1.2 Aufhöhung
x
x
1.1.3 Wasseraustritt
x
x
x
x
x
x
x
(x)
x
x
x
x
x
x
1.3.1 Erwärmung
x
x
x
x
1.3.2 Abkühlung
x
x
x
x
1 Auswirkungen auf das Grundwasser
1.1 geohydraulisch
x
(x)
x
1.2 hydrochemisch
1.2.1 Mischung von Wässern
1.2.2 Ausfällungen
1.2.3 Lösung / Mobilisierung
1.2.4 Stoffeintrag (z.B. von Schadstoffen)
1.3 thermisch
1.4.1 Biofouling
x
x
2 Auswirkungen auf den Untergrund
2.1 Hebungen
2.1.1 Quellvorgänge, Mineralbildung
x
2.1.2 Vereisung
x
x
2.2 Setzungen
2.3 Suffosion
2.4 Rutschungen
2.5 Verbruch / Einbruch
2.6 Ausgasung
3 Auswirkungen auf die Umwelt
3.1 Verschmutzung von Oberfl.-gewässern
x
x
3.2 Verschmutzung von Grundstücken
x
x
4 Auswirkungen auf Anlagentechnik
4.1 Gasdiffusion in Pe-Sonde
4.2 Verockerung (des Schluckbrunnens)
x
4.3 Korrosion (z.B. Wärmetauscher)
x
57
Anlage 4: Erdbeben in der Nähe tiefer geothermischer Bohrungen, bei denen
Erschütterungen an der Erdoberfläche verspürt wurden
Standort
Datum des größte aufgestärksten
tretene
Erdbebens Magnitude Ml
Erschütterungen
verspürt?
Quelle
3,4
ja (auch in
Deutschland
verspürt)
Schweizerischer Erdbebendienst
09.04.2010
2,4
ja
Landeserdbebendienst
Rheinland-Pfalz
15.08.2009
2,7
ja
Landeserdbebendienst
Rheinland-Pfalz
Unterhaching 03.07.2008
2,5
ja
Erdbebendienst Bayern
Basel
(Schweiz)
08.12.2006
Insheim
Landau
58

Fachbericht zu bisher bekannten Auswirkungen geothermischer

Transcrição

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